شرایط زیست اقلیمی و نقش آن در تشکیل کربن غیرآلی در خاک‌های توسعه یافته بر روی بازالت

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دانشگاه تهران

2 روه مهندسی علوم خاک پردیس کشاورزی و منابع طبیعی دانشگاه تهران

3 دانشگاه تهران

چکیده

سابقه و هدف: بررسی مقدارکربن خاک اعم از کربن آلی و کربن غیرآلی (کربنات‌ها)، لازمه مدیریت مناسب کربن خاک در مقیاس جهانی است. تعادل میان بخش‌های مختلف منابع کربن از نظر محیط زیست و کیفیت خاک بسیار حائز اهمیت است. با توجه به اینکه بخش عمده ای از ایران را مناطق خشک و نیمه‌خشک فرا گرفته، منبع کربن غیرآلی خاک می‌تواند در فهم بهتر مباحث علوم خاک بسیار مهم و تاثیرگذار باشد. کربنات‌ها از کانی‌های فراوان در پوسته زمین بوده و تقریبا چهار درصد پوسته زمین را تشکیل می‌دهند. اهمیت کربنات‌ها به ویژه در مناطق خشک و نیمه‌خشک برای درک پویایی روابط حاکم بر خصوصیات مورفولوژیکی، فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی خاک ضروری می‌باشد.
مواد و روش‌ها: در این مطالعه ویژگیهای ماکرومورفولوژیکی و میکرومورفولوژیکی و تشکیل کربناتها بر روی سنگ بستر بازالتی فاقد کربنات تحت شرایط زیست‌اقلیمی مختلف مورد بررسی قرار گرفته است. مشخصات مورفولوژیکی کربنات‌ها در هشت خاکرخ واقع در سه منطقه زیست‌اقلیمی خشک، نیمه‌خشک و نیمه‌مرطوب شمال غرب ایران تشریح و سپس خصوصیات میکرومورفولوژیکی در 21 مقطع نازک مطالعه شد.
یافته‌ها: نتایج شیمیایی بیانگر افزایش غالب مقدار کربنات کلسیم در هر سه منطقه با افزایش عمق بوده و عمق تجمع کربنات کلسیم نیز با افزایش بارندگی بیشتر می‌شود. تنها منبع کربنات در این خاک‌ها CO2 حاصل از فعالیت زیستی است که امکان تشکیل کربنات‌ها را فراهم آورده ولی به دلیل محدودیت بارندگی‌ها جابجایی آنها محدود به عمق نفوذ آب بوده و خروج کربنات‌ها از نیمرخ خاک روی نمی‌دهد. عوارض خاکساخت کربنات‌ها براساس خصوصیات میکرومورفولوژیک مقاطع نازک گویای غالبیت پوشش‌های کربناتی> گرهک‌های میکریتی> پرشدگی‌های آهک میکریتی و اسپاریتی در حفرات> پوشش‌های زیر سطحی> کلاهک‌ها وآویزه‌ها> پرشدگی توسط کربنات‌های سوزنی شکل می‌باشد. اندازه و فراوانی گرهک‌های میکریتی و پوشش‌های کربناتی از رژیم رطوبتی خشک‌تر (Weak Aridic) به مرطوب‌تر (Typic Xeric) افزایش می‌یابد. بررسی‌های میکروسکوپی وجود تجمعات کلسایت سوزنی شکل را تنها در مقاطع نازک تهیه شده از خاکرخ‌های منطقه نیمه‌مرطوب نشان داد. این عوارض خاکساخت در بررسی‌های صحرایی خاک‌های با فعالیت بیولوژیکی بیشتر به صورت رگه‌ها و شبه میسیلیوم‌ها مشاهده شدند. این تجمعات احتمالا در اثر تجزیه مواد آلی موجود در منافذ و برجای ماندن ترکیبات کلسیمی موجود در دیواره سلول‌های گیاهی و همچنین از کربناتی شدن ریشه‌های مرده گیاهان به وجود آمده‌اند.
نتیجه گیری: با توجه به فقدان کربنات در سنگ بستر اولیه، کل کربنات این خاک‌ها پدوژنیک بوده و اسیدی شدن محلول خاک در اثر انحلال CO‌2 منجر به هوازدگی سریع‌تر بازالت و فراهمی کاتیون‌های قلیایی خاکی و در نهایت رسوب کربنات‌ها به اشکال مختلف در خاک می‌باشد. کربنات پودری به شکل پوشش‌های نازک و منقطع در بین قلوه سنگ‌ها موید مراحل ابتدایی تشکیل کربنات در منطقه خشک است. در حالیکه در منطقه نیمه‌خشک وجود گرهک‌های کربناته به مقدار کم در اندازه‌های کوچک مرحله دوم تشکیل کربنات خاکساخت بر طبق مدل گایل را نشان می‌دهد. حضور همزمان کربنات‌های میسیلیومی و گرهک‌های کربناتی به مقدار متوسط تا فراوان و سخت لایه‌های کربناتی (افق پتروکلسیک) درمنطقه نیمه‌مرطوب می‌تواند بیانگر مراحل نهایی توسعه و تکامل کربنات‌ها در این مناطق باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Bioclimatic condition and its effect on the genesis of inorganic carbon in soils developed on basalt

چکیده [English]

Background and objectives: Study of soil carbon, including organic and inorganic carbon (carbonates), is essential for the proper management of soil carbon on a global scale. It is too important the balance between different parts of carbon sources in the environment and soil quality. As regards much of Iran is covered by arid and semi-arid regions, source of inorganic carbon of soil can have very important and effective to better understanding of the topics of the soil sciences. Carbonates are abundant mineral in the Earth’s crust and about include four percent of it. Carbonates importance especially in arid and semi-arid regions is essential to understand the dynamics of relations in the morphological, physical, chemical and biological soil characteristics.
Materials and methods: In this study macro and micro morphological characteristics and carbonates genesis has done on basaltic bedrock without carbonate under different bioclimatic conditions. Morphological characteristics of carbonates described in eight profiles located in three bioclimatic region arid, semi-arid and semi-humid of northwest of Iran and micromorphological properties were studied in 21 thin sections.
Results: Chemical results indicated that prevailing increase the amount of calcium carbonate in all three regions with increasing depth and the depth of the accumulation of calcium carbonate becomes more with the increase of precipitation. The only source of carbon in these soils is CO2 from biological activity, which provides the possibility of genesis carbonates, but due to precipitation restrictions their movement is limited to water depth of penetration and does not happen the carbonate complete withdrawal on the soil profile. The micromorphologic properties of pedogenic carbonates in the studied thin sections revealed the calcite coating> micritic nodule> pores infilling with micritic and sparitic carbonate> hypo-coating> capping and pendant> coating and infilling with needle fiber calcite trend. Size and frequency of micritic nodules and calcite coatings increase from drier moisture regime (Weak Aridic) to the wettest moisture regime (Typic Xeric). Microscopic studies showed that the needle shaped calcite concentrations were exist in semi humid region thin sections only. These pedofeatures also were observed as veins and mycelia in field studies of soils with higher biological activity. These concentrations probably are the result of decomposition of in voids plant residues and of settlement of the Ca-containing components of cell walls, and also of the calcification of dead plant roots.
Conclusion: Due to the lack of carbonate in primary bedrock, total carbonate of these soils was pedogenic and acidification of soil solution by the dissolution of CO2 leads to more quickly basalts weathering and cations availability for combination and eventually carbonates deposition with various forms in soil. Powdery carbonates in the arid region were observed as thin discontinuous coatings that represents primary stage of carbonate formation. While in the semi-arid region, existence of few fine carbonate nodules refers to the second stage of the carbonates pedogenesis according to Gile’s model. Simultaneous presence of common to many calcite pseudomyceliums and nodules and carbonatic hard layers (petrocalcic horizons) in semi-humid region represent extreme stages of carbonates formation and accumulation.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Micritic carbonate
  • sparitic carbonate
  • Micromorphic features
  • profile
  • hypo-coating
1.Batjes, N.H. 2004. Soil carbon stocks of Jordan and projected changes upon improved management of croplands. Geoderma. 20: 40-47.
2.Becze-Deace, J., Langohr, R., and Verrecchia, E.P. 1997. Small scale secondary CaCO3 accumulations in selected sections of European loess belt. Morphological forms and potential for paleoenvironmental reconstruction. Geoderma. 76: 221-252.
3.Berhongaray, G., Alvarez, R., De Paepe, J., Caride, C., and Cantet, R. 2013. Land use effects on soil carbon in the Argentine Pampas. Geoderma. 192: 97-110.
4.Birkeland, P.W. 1999. Soils and Geomorphology, third ed. Oxford University Press, New York, 430p.
5.Buol, S.W., Southard, R.J., Graham, R.C., and McDaniel, P.A. 2011. Soil genesis and classification. 6th edition. Blackwell Publishing Company. Ames. Iowa., 543p.
6.Chang, R., Fu, B., Liu, G., Wang, S., and Yao, X. 2012. The effects of afforestation on
soil organic and inorganic carbon: A case study of the Loess Plateau of China. Catena.
95: 145-152.
7.Drees, L.R., Wilding, L.P., and Nordt, L.C. 2001. Reconstruction of soil inorganic and organic carbon sequestration across broad geoclimatic regions. P 155-172, In: R. Lal (Ed.), Soil Carbon Sequestration and the Greenhouse Effect: Soil Science Society American Spec. Publ., Madison, WI.
8.Eswaran, H., Reich, P.F., Kimble, J.M., Beinroth, F.H., Padmanabhan, E., and Moncharoen, P. 2000. Global carbon sinks. P 15-26, In: R. Lal, J.M. Kimble and B.A. Stewart (Eds.), Global Climate Change and Pedogenic Carbonates. CRC/Lewis Press, Boca Raton, Florida.
9.Gile, L.H., Peterson, F.F., and Grossman, R.B. 1966. Morphologycal and genesis sequences of carbonate accumulation in desert soils. Soil Science. 101: 210-215.
10.Heidari, A., and Sahebjalal, E. 2011. Guidelines for Analysis and Description of Soil and Regolith thin Section, (by Stoops, G), University of Tehran Press, 278p. (In Persian)
11.Heidari, A. 2014. Soil genesis and classification according to world reference base for soil resources, 2014. University of Tehran Press, 606p. (In Persian)
12.Hirmas, D.R., Amrhein, C., and Graham, R.C. 2010. Spatial and process-based modeling of soil inorganic carbon storage in an arid piedmont. Geoderma. 154: 486-494.
13.Khormali, F., Abtahi, A., and Stoops, G. 2006. Micromorphology of calcitic features in highly calcareous soils of Fars Province, Southern Iran. Geoderma. 132: 31-46.
14.Lal, R. 2004. Soil carbon sequestration to mitigate climate change. Geoderma. 123: 1-22.
15.Landi, A., Mermut, A.R., and Anderson, D.W. 2003. Origin and rate of pedogenic carbonate accumulation in Saskatchewan soils, Canada. Geoderma. 117: 143-156.
16.Levine, S.J., and Hendricks, D.M. 1990. Carbonate forms in residual horizons of limestone derived soils in northern Arizona. P 373-380, In: L.A. Douglas (Ed.), Soil Micromorphology: A basic and applied Science. Developments in soil science 19. Elsevier.
17.Liang, B.C., Campbell, C.A., McConkey, B.G., Padbury, G., and Collas, P. 2005. An empirical model for estimating carbon sequestration on the Canadian prairies. Can. J. Soil Sci. 85: 549-556.
18.Liu, W., Wei, J., and Li, W. 2014. Profile distribution of soil inorganic carbon along a chronosequence of grassland restoration on a 22-year scale in the Chinese Loess Plateau. Catena. 121: 321-329.
19.Machette, M.N. 1985. Calcic soils of the southwestern United States. P 1-21, In: D.L. Weide (Ed.), Soils and quaternary geology of the southwestern United States. Geological Society of America, Special paper.
20.Manafi, Sh., and Mahmoodi, Sh. 2005. Micromorphology of pedogenic calcium carbonate accumulation in the part of lands, around Lake Urmia. Iran. J. Agric. Sci. 36: 6. 1399-1411. (In Persian)

21.Manafi, Sh., Mahmoodi, Sh., Sarmadian, F., Heidari, A., and Mariapoch, R. 2008. Micromorphology of Secondary Calcium Carbonate Coatings in Some Arid and Semiarid Soils in Southern Alborz, Takestan-Iran. Iran. J. Soil Water Res. 39: 1. 57-75. (In Persian)

22.Miller, J.J., Dudas, M.J., and Arnaud, F.J.ST. 1985. The effect of ground water on soil formation in a morinal landscape in Saskatchewan. Can. J. Soil Sci. 65: 293-307.
23.Monger, H.C., and Martinez-Rios, J.J. 2001. Inorganic carbon sequestration in grazing lands. P 87-117, In: R.F. Follett, J.M. Kimble and R. Lal (Eds.), The Potential of US Grazing Lands to Sequester Carbon and Mitigate the Greenhouse Effect. CRC/Lewis, Boca Raton, FL.

24.Moradi, Z., and Heidari, A. 2011. Micromorphological and Mineralogical Properties of Carbonates in Some Aridisols and Inceptisols. Iran. J. Soil Water Res. 42: 2. 279-289.
(In Persian)

25.Newhall, F., and Berdanier, C.R. 1996. Calculation of soil moisture regimes from the climatic record. Natural Resources Conservation Service, Soil Survey Investigation Report, No. 46, 13p.
26.Rameshni, Kh., and Abtahi, A. 1995. Effect of climate and topography on the formation of the soils of Kuhgiluye area. 4th Congress of Soil Science. Isfahan University of Technology. (In Persian)
27.Sahandi, M.R., and Soheili, M. 2005. Geological map of Iran: scale 1:1000000. Geological Survey of Iran, Tehran.
28.Schulp, C.J.E., Nabuurs, G.J., and Verburg, P.H. 2008. Future carbon sequestration in Europe effects of land use change. Agriculture, Ecosystems & Environment. 127: 251-264.
29.Shi, Y., Baumann, F., Ma, Y., Song, C., Kuhn, P., Scholten, T., and He, J.S. 2012. Organic and inorganic carbon in the topsoil of the Mongolian and Tibetan grasslands: pattern, control and implications. Biogeosciences. 9: 2287-2299.
30.Soil Survey Staff. 2014. Keys to Soil Taxonomy. United States Department of Agriculture. 12nd Ed. NRCS, 372p.
31.Sparks, D.L. 1996. Method of soil Analysis. Part 3. Chemical Methods. American Society of Agronomy, 1390p.
32.Stoops, G., Marcelino, V., and Mees, F. 2010. Interpretation of Micromorphological Features of Soils and Regoliths, SSSA. Madison, WI, 752p.
33.Tan, W.F., Zhang, R., Cao, H., Huang, C., Yang, Q., Wang, M., and Koopal, L. 2014. Soil inorganic carbon stock under different soil types and land uses on the Loess Plateau region of China. Catena. 121: 22-30.
34.Treadwell–Steitz, C., and McFadden, L.D. 2000. Influence of parent material and grain size on carbonate coatings in gravelly soils. Palo Duro Wash, New Mexico. Geoderma. 94: 1-22.
35.USDA-NRCS. 2012a. Field Book for Describing and Sampling Soils. Version 3.0, National Soil Survey Center, 300p.
36.USDA-NRCS. 2012b. jNSM: Java Newhall Simulation Model. Version 1.6.0. User guide-part 1. National Soil Survey Center.
37.Wang, Y., Li, Y., Ye, X., Chu, Y., and Wang, X. 2010. Profile storage of organic/inorganic carbon in soil: From forest to desert. Science of the Total Environment. 408: 1925-193.
38.Wu, H., Guo, Z., Gao, Q., and Peng, C. 2009. Distribution of soil inorganic carbon storage and its changes due to agricultural land use activity in China. Agriculture, Ecosystems and Environment. 129: 413-421.