3. Anyag és módszer
4.2. A módszerfejlesztés eredményei a szikes talajok példáján
4.2.1. Klasszifikációs fa módszerek (CRT és CHAID) eredményei Az optimalizált klasszifikációs fa modellek
A f|k optimaliz|l|s|t az anyag és módszer fejezetben leírtak szerint (3.2.2.2. fejezet) végeztem el mind a regressziós (CRT1, CRT2), mind a CHAID típusú f|k kidolgoz|sa esetén.
Az optim|lis modellbe|llít|s kiv|laszt|s|t (a nem túlillesztett CRT és CHAID f|kat) minden talajcsoport és minden víztartó képesség érték becslés esetén a 4.3. t|bl|zathoz hasonló eredményösszegző t|bl|zatok alapj|n végeztem el. Példaként a szikes talajcsoport -33 kPa m|trixpotenci|lhoz tartozó víztartó képesség becslésére kidolgozott különböző modellbe|llít|sú regressziós f|k eredményeit mutatom be.
4.3. t|bl|zat. Egy modell optimaliz|l|st jellemző példa, mely a szikes talajcsoport -33 kPa m|trixpotenci|lhoz tartozó nedvességtartalm|nak becslésére kidolgozott, különböző modellbe|llít|sú regressziós f|k legfontosabb jellemzőit és a modellek |tlagos négyzetes hib|it (MSE) mutatja. A modell a kategóri|k és az altípus alapj|n becsül.
Csomópont minimum esetsz|ma
Végső csoport minimum esetsz|ma
Végső csoportok sz|ma
MSE (|tlagos négyzetes hiba) az adatok 100%-|ra (tf%)
A tízszer elvégzett tízszeres keresztvalid|ció MSE értékeinek |tlaga (tf%)
120 60 3 41,849 43,130*
100 50 5 33,565 42,585*
80 40 5 33,565 35,398*
60 30 8 30,919 36,301*
50 25 8 30,919 35,960*
40 20 12 29,760 34,893
30 15 13 29,558 34,454†
20 10 21 28,243 35,608
10 5 39 23,328 36,759*
*Ezen modellbe|llít|sok egyértelműen rosszabb MSE értékeket adtak, ezért ezeknél csak egyszer futtattam le a tíszeres keresztvalid|ciót.
† A legkisebb négyzetes hib|t eredményező modellbe|llít|s, teh|t a vizsg|lt be|llít|sok közül a legoptim|lisabb.
A kereszt-valid|lt adatokra az |tlagos négyzetes hiba a csomópont és a végső csoport minimum esetsz|m|nak csökkentésével (a fa egyre el|gazóbb lesz) egy ideig csökken, majd egy bizonyos pont ut|n emelkedik, a modell ebben a szakaszban v|lik túlillesztetté. A túlillesztett szakaszban a tanuló adatb|zist egyre jobban, m|r szinte tökéletesen leírja a fa (l|sd MSE az adatok 100%-ra oszlopot a 4.3. t|bl|zatban), viszont a kereszt-valid|lt adatokra egyre nagyobb becslési hib|t eredményez. Teh|t a modell ebben a szakaszban adatfüggő, újabb adatok víztartó képességének becslésére m|r nem alkalmazható. Azt a modellbe|llít|st tekintettem optim|lisnak, ami a legkisebb négyzetes hib|t eredményezte a tízszer elvégzett tízszeres kereszt-valid|ció sor|n. Az adott víztartó képesség becslésére ezen modellbe|llít|ssal kidolgozott f|t fogadtam el végső becslő módszernek.
A 4.4. t|bl|zatban l|tható az optim|lis minimum esetsz|m a csomópontot és végső csoportot tekintve. Az optim|lis esetsz|mok a megfigyelt víztartó képességenként, módszerenként és figyelembe vett talajtulajdons|gonként is különböznek.
57
4.4. t|bl|zat. A fa modellek optim|lis minimum esetsz|mai a csomópontban és a végső csoportokban a legkevésbé túlillesztett modellek esetén (tízszer elvégzett tízszeres kereszt-valid|l|s módszerrel).
Módszer Víztartó képesség Hasznosítható
vízkészlet -0,1 kPa -33 kPa -1500 kPa -150000 kPa
CS V CS V CS V CS V CS V
CRT 1 (folytonos
v|ltozók) 20 10 40 20 20 10 30 15 40 20
CRT 2 (folytonos
v|ltozók és altípus 20 10 30 15 50 25 20 10 30 15
CRT_kat (kategória
v|ltozók) 30 15 30 15 20 10 20 10 60 30
CHAID 1 (kategória
v|ltozók) 50 25 60 30 60 30 60 30 50 25
CS: csomópont minimum esetsz|ma.
V: végső csoport minimum esetsz|ma.
A szikes talajok esetén az összes becslő módszer kidolgoz|s|n|l figyelembe vettem a genetikai C szinteket is, mert a magas sótartalom ebben a szintben is jelen lehet.
Azon talajtulajdons|gok, amiket a kidolgozott regressziós (CRT) és CHAID típusú f|k a víztartó képesség becsléséhez figyelembe vesznek, a 4.5. t|bl|zatban l|thatók. A talajtulajdons|gok és a víztartó képesség közötti összefüggések magyar|zat|t az 4.3.1.2.
fejezetben foglaltam össze. A következő bekezdésekben részletezem a szikes talajokra kidolgozott becslő módszereket.
CRT1 folytonos értékekre: homok, por és agyag frakció, szervesanyag, kalcium-karbonát és só tartalom, valamint pH.
-0,1 kPa mátrixpotenciálhoz tartozó nedvességtartalom
Az agyagtartalmon kívül minden tulajdons|got figyelembe vesz a modell a víztartó képesség becsléséhez (11. melléklet). Először a szerves anyag tartalom alapj|n osztja ketté az adatokat. A magasabb szerves anyag tartalom kedvez a víztartó képességnek. Az alacsony szerves anyag tartalmú mint|kat a por tartalmuk alapj|n osztja tov|bb. Az alacsony szerves anyag és portartalmú talajokn|l a vízoldhatósó-tartalmat és a pH-t veszi figyelembe a homogén csoportok kialakít|sakor. Az alacsony szerves anyag és magas por tartalom esetén viszont a kalcium-karbon|t és a homoktartalom fontos az elkülönítéshez. A 0,38%-n|l nagyobb szerves anyag tartalmú mint|kat a homok és a portartalmuk alapj|n osztja ketté.
-33 kPa mátrixpotenciálhoz tartozó nedvességtartalom
A mechanikai összetételt és a kalcium-karbon|t tartalmat veszi figyelembe a modell (12.
melléklet). A módszer az első szinten a homoktartalom alapj|n v|logatja szét az adatokat. Az alacsonyabb homoktartalmú talajokat (≤31,5%) az agyagtartalom, a magasabbakat (>31,5%) a homoktartalom alapj|n csoportosítja tov|bb. Az alacsonyabb homok és magas agyagtartalmú talajokat (>40,7%) a kalcium-karbon|t tartalom szerint különbözteti meg. A 10,9%-n|l magasabb kalcium-karbon|t tartalom esetén csökken a talajok víztartó képessége. Alacsony homok és agyagtartalom esetén ismét a homok, majd a por és kalcium-karbon|t tartalom a meghat|rozó.
-1500 kPa mátrixpotenciálhoz tartozó nedvességtartalom
A modell a mechanikai összetétel, a kalcium-karbon|t és szerves anyag tartalom alapj|n osztja homogénebb csoportokra az adatb|zist (13. melléklet). Először az agyagtartalom
A módszerfejlesztés eredményei a szikes talajok péld|j|n
58
alapj|n különíti el a mint|kat. Az alacsonyabb agyagtartalmú mint|kat (≤31,4%) a homok, agyag és szerves anyag tartalom alapj|n csoportosítja tov|bb, a magasabb agyagtartalmúakat (>31,4%) pedig az agyag, kalcium-karbon|t és portartalom alapj|n. 31,4-43,8% agyagtartalom esetén m|r a 14,1%-n|l nagyobb kalcium-karbon|t tartalom is negatív hat|ssal van a víztartó képességre, 43,8% agyagtartalom felett viszont 23,5% kalcium karbon|t tartalom feletti értékek eredményeznek kisebb víztartó képességet. A 69,3%-n|l több homokot tartalmazó talajok esetén egyedül a homoktartalom a meghat|rozó, minél nagyobb a homoktartalom, ann|l kisebb a víztartó képesség. A szerves anyag tartalom mennyiségét csak abban az esetben veszi figyelembe a modell a csoportok kialakít|sakor , ha az agyagtartalom ≤26% és a homoktartalom 45,4-69,3% között van (teh|t homokos v|lyog, v|lyog fizikai féleség esetén).
-150000 kPa mátrixpotenciálhoz tartozó nedvességtartalom
A regressziós fa a mechanikai összetétel, a kalcium-karbon|t tartalom, a szerves anyag tartalom, valamint a pH figyelembe vételével homogeniz|lja az adatb|zist (14. melléklet).
Először az agyagtartalom alapj|n osztja ketté az adatb|zist. A fa m|sodik szintjén a 31,7%-n|l kisebb agyagtartalmú talajok esetén a szerves anyag tartalom, 31,7%-31,7%-n|l nagyobb agyagtartalom esetén pedig a kalcium-karbon|t tartalom alapj|n tesz különbséget a mint|k víztartó képessége szempontj|ból. 2,1%-n|l kisebb szerves anyag esetén az agyag, homok és kalcium-karbon|t tartalom alapj|n történik a tov|bbi elkülönítés. A magasabb agyagtartalmú mint|k esetén (>31,7%) a harmadik szinten az agyag- és portartalom, negyedik szinten 37,1-46,3% agyagtartalom esetén ismét az agyagtartalom, majd az ötödik szinten 37,1-37,7% agyagtartalomn|l a pH alapj|n különíti el a csoportokat.
Hasznosítható vízkészlet
Az első szinten, a portartalom alapj|n osztja két csoportra az adatb|zist a módszer. A tov|bbi elkülönítés a pH, szerves anyag tartalom és agyagtartalom alapj|n történik (15.
melléklet).
CRT2: folytonos értékek és altípus alapján
-0,1 kPa mátrixpotenciálhoz tartozó nedvességtartalom
A talajtípus becslésbe történő bevon|sakor is első szinten a szerves anyag tartalom osztja ketté az adatb|zist, viszont 0,4% fölötti szerves anyag tartalom esetén m|r az altípus alapj|n v|lasztja szét az adatokat a regressziós fa. Alacsonyabb szerves anyag tartalom esetén (16. melléklet) az alsóbb szintek kialakít|s|n|l a por, vízoldhatósó-tartalom és az altípus a meghat|rozók.
-33 kPa mátrixpotenciálhoz tartozó nedvességtartalom
Az altípus figyelembe vételénél is a homoktartalom a legfontosabb talajtulajdons|g a víztartó képesség becsléséhez. A 31,5%-n|l magasabb homoktartalmú talajok esetén a csoportok kialakít|sakor csak a homoktartalmat veszi figyelembe a modell (17. melléklet, 2.
és 6. csomópontok). A 31,5%-n|l kisebb homoktartalom esetén viszont a m|sodik szinten az altípus alapj|n osztja ketté az adatokat, majd a pH, agyag, homok, portartalom, kalcium-karbon|t tartalom és altípus alapj|n alakítja a csoportokat.
59
-1500 kPa mátrixpotenciálhoz tartozó nedvességtartalom
Első szinten az agyagtartalom alapj|n v|lasztja ketté az adatb|zist a regressziós fa módszer. A 31,38%-n|l kevesebb, vagy egyenlő agyagot tartalmazó talajokat a homoktartalom alapj|n csoportosítja tov|bb. A magas (>69,30%) homoktartalmú mint|kat nem osztja tov|bbi csoportokra (18. melléklet, 4. csomópont), a többit viszont az agyag, homoktartalmuk, altípusuk, szerves anyag tartalmuk és homoktartalmuk alapj|n tov|bb csoportosítja. A 31,38%-n|l magasabb agyagtartalmúakat az altípus, a kalcium-karbon|t tartalom és ismét az altípus alapj|n különíti el.
-150000 kPa mátrixpotenciálhoz tartozó nedvességtartalom
Ahogy a -1500 kPa m|trixpotenci|lhoz tartozó nedvességtartalom becslése esetén, ezen a m|trixpotenci|lon is az agyagtartalom az első talajtulajdons|g, amit figyelembe véve két csoportra osztható szét az adatb|zis (19. melléklet, 1. és 2. csomópont). Az alacsonyabb agyagtartalmú mint|kat (≤31,73%) a szerves anyag tartalmuk, agyagtartalmuk, altípusuk, kalcium-karbon|t tartalmuk és ismét az agyagtartalmuk alapj|n kerülnek különböző csoportokba a fa különböző szintjein, felülről lefelé haladva. Magasabb agyagtartalomn|l (>31,73%) a kalcium-karbon|t, agyagtartalom, altípus, szerves anyag tartalom, portartalom, ismét altípus és homoktartalom alapj|n különíti el a mint|kat a módszer felülről lefelé haladva 7 szinten.
Hasznosítható vízkészlet
Első szinten az altípus alapj|n v|lasztja ketté a mint|kat a módszer (20. melléklet). A tov|bbi elkülönítés altípustól függően a vízoldhatósó-tartalom, portartalom alapj|n történik a m|sodik szinten, majd az altípus, homoktartalom, szerves anyag tartalom, agyagtartalom és újra az altípus alapj|n.
CHAID1: kategóriák és altípus alapján
-0,1 kPa mátrixpotenciálhoz tartozó nedvességtartalom
Első szinten a fizikai féleség alapj|n osztja 4 csoporta az adatb|zist (21. melléklet). A durva homok és homok fizikai féleségű talajokat egy csoportt| vonja össze és nem osztja tov|bb egyéb talajtulajdons|gok alapj|n. A homokos v|lyog és v|lyog talajokat szintén egy csoportba teszi, majd a m|sodik szinten pH értékük, a harmadik szinten pedig az altípusuk alapj|n különíti el a talajokat. A 9-nél nagyobb pH-jú talajok víztartó képessége kisebb. A harmadik fizikai féleség csoportot az agyagos v|lyog és a v|lyogos agyag alkotja. Ezt a csoportot a mint|k szervesanyag-tartalma alapj|n v|lasztja ketté, majd az alacsony szerves anyag tartalmúakat (≤1%)a kalcium-karbon|t tartalmuk alapj|n tov|bbi két csoportra különíti el. Az 1%-n|l több szerves anyagot tartalmazó talajoknak nagyobb a víztartó képességük. A 25%-n|l több kalcium-karbon|t tartalommal rendelkező mint|k víztartó képessége kisebb, mint a 25%-n|l kisebb egyenlő kalcium-karbon|t tartalmúaké. Végül pedig az agyag és nehéz agyag fizikai féleségű talajok alkotj|k a negyedik fő csoportot, ahol a mint|k sótartalma alapj|n tesz tov|bbi megkülönböztetést a módszer. 0,25%-n|l nagyobb sótartalom kisebb víztartó képességet eredményez. Az alacsonyabb sótartalmú mint|kat a modell tov|bbi két csoportra különíti el a pH érték alapj|n. Itt a homokos v|lyog és v|lyog talajokhoz hasonlóan a 9-es pH-n|l lúgosabb talajok víztartó képessége alacsonyabb.
A módszerfejlesztés eredményei a szikes talajok péld|j|n
60
-33 kPa mátrixpotenciálhoz tartozó nedvességtartalom
Az első szinten ismét a fizikai féleség a meghat|rozó a csoportok kialakít|sakor (22.
melléklet). Az első csoportot ezen a m|trixpotenci|lon is a durva homok és homok talajok képezik, tov|bbi felbont|s nélkül. A m|sodik csoportot a homokos v|lyog fizikai féleségű talajok alkotj|k, itt sincs tov|bbi csoportképzés. A harmadik csoport tartalmazza a v|lyog és agyagos v|lyog talajokat, amiket a m|sodik szinten az altípus, harmadik szinten pedig a fizikai féleség alapj|n csoportosít tov|bb. A negyedik csoportba tartoznak az agyag, az ötödikbe a nehéz agyag talajok. Mindkét csoport esetén a még az altípus alapj|n osztja h|rom, illetve kettő tov|bbi csoportra a talajokat.
-1500 kPa mátrixpotenciálhoz tartozó nedvességtartalom
Az első szinten ismét a fizikai féleség alapj|n különíti el a talajokat hat darab csoportra (23. melléklet). Az elsőt a durva homok és homok talajok, a m|sodikat a homokos v|lyogok, a harmadikat a v|lyog talajok alkotj|k. Ezen csoportokat nem osztja tov|bb a módszer. A negyedik csoportot az agyagos v|lyog talajok képezik, ez a csoport a kalcium-karbon|t tartalom alapj|n kerül tov|bbi elkülönítésre, 10% feletti kalcium-karbon|t tartalom kisebb víztartó képességet eredményez. Az ötödik csoportba tartoznak az agyag talajok, melyeket szintén a kalcium-karbon|t tartalmuk alapj|n különböztet meg a módszer ugyanúgy, mint az agyagos v|lyog talajok esetén. A hatodik csoport tartalmazza a nehéz agyag fizikai féleségű talajokat, amiket tov|bbi két csoportra oszt fel a módszer az altípusuk alapj|n.
-150000 kPa mátrixpotenciálhoz tartozó nedvességtartalom
A klasszifik|ciós fa csak a fizikai féleséget és a kalcium-karbon|t tartalmat veszi figyelembe a becslés sor|n (24. melléklet). A durva homok és a homok kerül az első csoportba, a v|lyogos homok a m|sodikba, ezek a csoportok nem kerülnek tov|bbi csoportosít|sra. A v|lyog, agyagos v|lyog, agyag és nehéz agyag fizikai féleségű talajokat külön csoportokba rendezi a módszer és mindet tov|bbosztja a kalcium-karbon|t tartalmuk alapj|n. A magas kalcium-karbon|t tartalom alacsonyabb víztartó képességet eredményez.
Hasznosítható vízkészlet
A klasszifik|ciós fa az altípus és a fizikai féleség alapj|n csoportosítja a talajokat (25.
melléklet). Az első szinten az altípus alapj|n osztja 3 csoportra a mint|kat, majd a m|sodik szinten egy altípus csoport esetén veszi figyelembe a fizikai féleséget.
A kategóri|k alapj|n kidolgozott regressziós fa esetén a víztartó képesség és a talajtulajdons|gok kapcsolata hasonló a CHAID módszernél bemutatotthoz. Ezért a regressziós f|val kidolgozott módszert nem írom le részletesebben. A fa szerkezete azonban m|s (26-30. melléklet), ami az eltérő fa építő algoritmusból adódik (3.2.2.2. és 3.2.2.3.
fejezetek).
61
4.5. t|bl|zat. A döntési f|kkal (CHAID és CRT) kidolgozott pedotranszfer szab|lyok összefoglaló jellemzői.
Becslés
típusa Becsült
tulajdons|g A becsléshez figyelmebe vett input paraméterek Elkülönített csoportok
sz|ma CRT1
(folytonos v|ltozók)
-0,1 kPa szerves anyag, por, homok, só, kalcium-karbon|t, pH 10
-33 kPa homok, agyag, kalcium-karbon|t, por 10
-1500 kPa agyag, homok, kalcium-karbon|t, por, szerves anyag 12 -150000 kPa agyag, szerves anyag, kalcium-karbon|t, por, homok,
pH 11
DV por, pH, szerves anyag, agyag 7
CRT2 (folytonos v|ltozók és altípus)
-0,1 kPa szerves anyag, por, altípus, só 8
-33 kPa homok, altípus, pH, agyag, kalcium-karbon|t, por 14 -1500 kPa agyag, homok, altípus, kalcium-karbon|t, szerves
anyag 12
-150000 kPa agyag, szerves anyag, kalcium-karbon|t, altípus, por,
só homok 16
DV altípus, só, por, homok, szerves anyag, agyag 9 CHAID1
(kategória v|ltozók és altípus)
-0,1 kPa fizikai féleség, pH, szerves anyag, só, altípus,
kalcium-karbon|t kód 11
-33 kPa fizikai féleség, altípus kód 10
-1500 kPa fizikai féleség, kalcium-karbon|t, altípus kód 9 -150000 kPa fizikai féleség, kalcium-karbon|t kód 11
DV altípus, fizikai féleség 5
CRT_kat (kategória v|ltozók és altípus)
-0,1 kPa fizikai féleség, altípus,pH, szerves anyag,
kalcium-karbon|t kód 15
-33 kPa fizikai féleség, altípus, pH, szerves anyag kód 13 -1500 kPa fizikai féleség, altípus, szerves anyag,
kalcium-karbon|t, só, pH kód 22
-150000 kPa fizikai féleség, altípus, szerves anyag,
kalcium-karbon|t, só, pH kód 20
DV altípus, pH, szerves anyag, fizikai féleség kód 7 CHAID1, CRT_kat: független v|ltozói kategória típusúak, melyek a térképi kódoknak felelnek meg, tartalmazva a talaj altípus|t. A talajtérképi kódok jelentése talajtulajdons|gonként az 1-4. és 5.
(humusz) mellékletekben l|tható. CRT1: független v|ltozóként az agyag (<0,002 mm), por (0,002-0,05 mm) és homok ((0,002-0,05-2 mm) tartalmat (tömeg %), tov|bb| humusz (tömeg %), kalcium-karbon|t (tömeg %) tartalmat, pHH2O és sótartalmat tartalmazza. CRT2: független v|ltozóként a CHAID modellben haszn|lt input paramétereket tartalmazza, de azokat – a talaj altípus kivételével - folytonos értékekként, a fizikai féleség helyett az agyag (<0,002 mm), por (0,002-0,05 mm) és homok (0,05-2 mm) tartalmat (tömeg %), tov|bb| humusz (tömeg %), kalcium-karbon|t (tömeg %), vízoldhatósó-tartalmat és pHH2O-t.
A módszerfejlesztés eredményei a szikes talajok péld|j|n
62