بررسی شدت آبگریزی خاک و تغییرات زمانی آن پس از آتش سوزی تجویزی در مناطق جنگلی آبخیز توشن استان گلستان

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

2 رئیس دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

3 عضو هیات علمی/ دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

4 دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

چکیده

سابقه و هدف: آب‌گریزی خاک (SWR) یکی از خصوصیات پویای خاک است که نفوذ آب در خاک را کاهش داده و یا از آن جلوگیری می‌کند. در مناطق جنگلی شمال کشور، آتش‌سوزی یکی از نگرانی‌های محیطی بسیار مهم و از عوامل اصلی تغییر در پدیده آب‌گریزی خاک است. لذا، این مطالعه با هدف بررسی اثر آتش‌سوزی تجویزی بر خاک مناطق جنگلی آبخیز توشن استان گلستان و همچنین بررسی تغییرات زمانی و برهم‌کنش آن بر خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک انجام شد.
مواد و روش‌ها: خاک مناطق جنگلی در طبقه شیب 30-15 درصد و عمق 5-0 سانتی‌متری سطح خاک، در قالب 30 تکرار در محیط آزمایشگاهی مورد بررسی قرار گرفت. جهت بررسی اثر آتش بر روی آب‌گریزی خاک در شرایط آزمایشگاهی، آتش‌سوزی تجویزی اعمال شد. خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک از جمله اجزای بافت خاک (درصد رس، سیلت و شن)، درصد مواد آلی خاک، pH، EC و پایداری خاکدانه (MWD) قبل و پس از آتش‌سوزی بررسی شدند. آبگریزی خاک قبل و پس از آتش‌سوزی با دو آزمون زمان نفوذ قطره آب (WDPT) و روش مولاریته محلول آب و الکل (MED) تعیین شد.
یافته‌ها: نتایج دو آزمون WDPT و MED نشان داد که، قبل از آتش‌سوزی 100 % نمونه‌ها آب‌دوست بودند (به ترتیب کلاس 1 و 0). همچنین مطابق با آزمون WDPT یک روز پس از آتش‌سوزی تمام کرت‌ها کلاس آب‌گریزی جزئی از خود نشان دادند (کلاس 2 و 3) اما نتایج آزمون MED پس از آتش‌سوزی قدری متفاوت بود و یک روز پس از آتش‌سوزی شدت آبگریزی افزایش یافت؛ به طوری که 30 % کرت‌ها آبگریزی جزئی (کلاس 1)، 50 % کرت‌ها آبگریزی متوسط (کلاس 2) و 20 % کرت‌ها آبگریزی نسبتاً قوی (کلاس 3) را نشان دادند. بررسی روند تغییرات زمانی هر دو شاخص آبگریزی نیز نشان داد که کلاس آبگریزی پس از آتش‌سوزی به صورت موقتی بود و تا یک ماه پس از آن سطح آن به میزان بسیار زیادی کاهش پیدا نمود. نتایج نشان داد که دو آزمون آبگریزی پس از آتش‌سوزی همبستگی خوبی با هم داشتند. نتایج نشان داد که همبستگی متوسطی بین دو آزمون آبگریزی WDPT و MED با برخی خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک از جمله pH، EC، MWD و درصد مواد آلی خاک وجود دارد. همچنین مشخص شد که بین دو آزمون آبگریزی و اجزای بافت خاک همبستگی ضعیف وجود دارد. مقادیر همبستگی نسبتاً ضعیف آبگریزی با خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک نشان می‌دهد که این تغییرات احتمالاً نمی‌توانند عامل اصلی تغییرات آبگریزی خاک باشد. بخشی از این تغییرات را می‌توان با تغییرات پایداری خاکدانه پس از آتش‌سوزی تبیین کرد. این تغییرات در پایداری مکانیکی ساختمان خاک می‌تواند در اثر دو مکانیسم اصلی ایجاد شود: (1) تغییر ترکیبات بافت خاک و افزایش نیروهای هم‌چسبی بین ذرات در خاکدانه‌ها که نتیجتاً موجب پایداری ساختمان خاک در مقابل نیروهای مخرب فیزیکی شود. (2) تغییر در برخی خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک مثل افزایش EC که موجب جلوگیری از پراکنش ذرات رس شده و مانع تخریب فیزیکی خاکدانه‌های ریز می‌شود.
نتیجه‌گیری: به طور کلی نتایج این تحقیق نشان داد که با وجود آبدوستی خیلی زیاد در خاک‌های لسی، آتش‌سوزی می‌تواند به عنوان یک عامل خارجی موجب افزایش ضعیف و آنی در کلاس آبگریزی شود. کلاس آبگریزی ضعیف احتمالاً می‌تواند به دلایل زیر باشد: اولاً آبگریزی بیشتر در خاک‌های درشت دانه با مواد آلی بالا رخ می‌دهد. دوم اینکه نمونه‌های مطالعه شده از لایه سطحی خاک (5-0 سانتی‌متری) برداشت شده‌اند در حالی که آتش‌سوزی می‌تواند موجب تراکم برخی مواد آلی در لایه‌های زیرسطحی شده و موجب ایجاد آبگریزی در افق‌های پایین‌تر شود.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Assessment of Soil Water Repellency Intensity and Its Temporal Variability after Prescribed Fire in Forest Areas of Toshen Watershed, Golestan Province

نویسندگان [English]

  • Kohzad Heidary 1
  • Ali Najafinejad 2
  • Ali Mohammadian Behbahani 3
  • Majid Ownegh 4
1 Department of Watershed and Arid Zone Management, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources (GUASNR)
2 Director of Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources (GUASNR)
3 Academic Member/Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources
4 Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources (GUASNR), Gorgan, Iran
چکیده [English]

Background and objectives: Soil Water Repellency (SWR) is one of the dynamic soil characteristics that either reduce water penetration in the soil or prevent it. In the northern forest areas of Iran, fire is one of the most important environmental concerns and one of the main factors of the change in soil water repellency phenomenon. Therefore, this study aims to investigate prescribed fire effect on the soil of forest areas of Toshen's watershed, temporal variability and its interaction with physical and chemical properties of soil in Golestan Province.
Materials and methods: Soil of forest areas in the slope class of 15-30% and depth of 0-5 cm of soil surface was studied in 30 replications in laboratory. Physical and chemical properties of soil, including percent of clay, silt and sand, soil organic matter, pH, EC and aggregate stability (MWD) were investigated before and after fire. In order to study the effects of fire on soil water repellency in laboratory conditions, prescribed fire was applied. SWR was determined with Water Drop Penetration Time and Molarity of an Ethanol Droplet tests, before and after fire.
Results: According to the WDPT test, before the fire, 100% of plots were wettable (class 1), but one day after the fire, 100% of the plots were showed slightly water repellent (class 2 and 3). The MED test showed that all plots were wettable (class 0) before the fire. One day after the fire, the intensity of SWR increased, so that 30, 50 and 20 % of the plots were slightly water repellent (class 1), moderately water repellent (class 2) and less strongly water repellent (class 3), respectively. Investigating the process of temporal variability of both SWR indices showed that the SWR class after the fire is temporary and up to one month after that, the SWR classes is greatly reduced. The results showed that there are good correlations between two post-fire hydrophobic tests. (R2=0.85). There was a moderate correlation between two WDPT and MED SWR tests with pH, EC, MWD and soil organic matter, but as for soil texture components, there was poor correlation. Relatively poor SWR correlations with soil physical and chemical characteristics indicate that these changes are not likely to be the main cause of SWR changes. Some of these changes can be explained by the variability of aggregate stability after the fire. These changes in the mechanical stability of the soil structure can be caused by two main mechanisms: (1) Changes in the composition of the solid components in the soil that increase the cohesion forces between the particles in the aggregates. Consequently, the stability of the soil structure against the physically destructive forces increases. (2) Changes in the physicochemical properties of the soil solution (an increase in the EC) that prevent clay dispersion and microaggregate destruction (physicochemical mechanism).
Conclusion: Finally, the results of this study showed that despite the high wettability in loess soils, fire can be an external factor that causes a weak and immediate increase in SWR. The slightly soil water repellent may be due to the following: (i) SWR often occur in coarse soils with high organic matter. (ii) The samples were taken from the soil surface layer (0-5 cm), while the fire can cause some organic matter to accumulate in the subsurface layers and cause SWR on lower horizons.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Soil water repellency
  • Toshen's watershed
  • Prescribed fire
  • Physical and chemical properties of soil

مراجع

1.Abdi, O., Kamkar, B., Shirvani, Z., Teixeira da Silva, J.A., and Buchroithner, M.F. 2016. Spatial-statistical analysis of factors determining forest fires: a case study from Golestan, Northeast Iran. Geomatics, Natural Hazards and Risk, Pp: 1-14.
2.Abrantes, J.R., de Lima, J.L., Prats, S.A., and Keizer, J.J. 2017. Assessing soil water repellency spatial variability using a thermographic technique: An exploratory study using a small-scale laboratory soil flume. Geoderma. 287: 98-104.
3.Arocena, J.M., and Opio, C. 2003. Prescribed fire-induced changes in properties of sub-boreal forest soils. Geoderma. 113: 1. 1-16.
4.Badía-Villas, D., González-Pérez, J.A., Aznar, J.M., Arjona-Gracia, B., and Martí-Dalmau, C. 2014. Changes in water repellency, aggregation and organic matter of a mollic horizon burned in laboratory: soil depth affected by fire. Geoderma. 213: 400-407.
5.Bisdom, E.B.A., Dekker, L.W., and Schoute, J.T. 1993. Water repellency of sieve fractions from sandy soils and relationships with organic material and soil structure. Geoderma. 56: 1-4. 105-118.
6.Busse, M.D., Hubbert, K.R., Fiddler, G.O., Shestak, C.J., and Powers, R.F. 2005. Lethal soil temperatures during burning of masticated forest residues. Inter. J. Wildland Fire. 14: 3. 267-276.
7.Chen, Y., and Schnitzer, M. 1978. The surface tension of aqueous solutions of soil humic substances. Soil Science. 125: 1. 7-15.
8.Debano, L.F., and Krammes, J.S. 1966. Water repellent soils and their relation to wildfire temperatures. Hydrol. Sci. J. 11: 2. 14-19.
9.Dekker, L.W., and Ritsema, C.J. 2000. Wetting patterns and moisture variability in water repellent Dutch soils. J. Hydrol. 231: 148-164.
10.Dlapa, P., Simkovic, I., Doerr, S.H., Kanka, R., and Mataix-Solera, J. 2008. Application of thermal analysis to elucidate water-repellency changes in heated soils. Soil Sci. Soc. Amer. J.72: 1. 1-10.
11.Doerr, S.H., Blake, W.H., Shakesby, R.A., Stagnitti, F., Vuurens, S.H., Humphreys, G.S., and Wallbrink, P. 2004. Heating effects on water repellency in Australian eucalypt forest soils and their value in estimating wildfire soil temperatures. Inter. J. Wildland Fire. 13: 2. 157-163.
12.Doerr, S.H., Shakesby, R.A., and MacDonald, L.H. 2009. Soil water repellency: A key factor in post-fire erosion? In A. Cerdà and P.R. Robichaud (ed.) Fire effects on soils and restoration strategies. Science Publ., Enfield, NH.
13.Doerr, S.H., Shakesby, R.A., and Walsh, R. 2000. Soil water repellency: its causes, characteristics and hydro-geomorphological significance. Earth-Science Reviews. 51: 1. 33-65.
14.Fér, M., Leue, M., Kodešová, R., Gerke, H.H., and Ellerbrock, R.H. 2016. Droplet infiltration dynamics and soil wettability related to soil organic matter of soil aggregate coatings and interiors. J. Hydrol. Hydromech. 64: 2. 111-120.
15.Gee, G.W., and Or, D. 2002. 2.4 Particle-size analysis. Methods of soil analysis. Part. 4: 598. 255-293.
16.González-Peñaloza, F.A., Zavala, L.M., Jordán, A., Bellinfante, N., Bárcenas-Moreno, G., Mataix-Solera, J., Granged, A.J., Granja-Martins, F.M., and Neto-Paixão, H.M. 2013. Water repellency as conditioned by particle size and drying in hydrophobized sand. Geoderma. 209: 31-40.
17.Inbar, A., Lado, M., Sternberg, M., Tenau, H., and Ben-Hur, M. 2014. Forest fire effects on soil chemical and physicochemical properties, infiltration, runoff, and erosion in a semiarid Mediterranean region. Geoderma. 221: 131-138.
18.Jiménez-Pinilla, P., Doerr, S.H., Ahn, S., Lozano, E., Mataix-Solera, J., Jordán, A., Zavala, L.M., and Arcenegui, V. 2016. Effects of relative humidity on the water repellency of fire-affected soils. Catena. 138: 68-76.
19.Jordán, A., Zavala, L.M., Mataix-Solera, J., and Doerr, S.H. 2013. Soil water repellency: origin, assessment and geomorphological consequences. Catena. 108: 1-5.] 
20.Jordán, A., Zavala, L.M., Mataix-Solera, J., Nava, A.L., and Alanís, N. 2011. Effect of fire severity on water repellency and aggregate stability on Mexican volcanic soils. Catena. 84: 3. 136-147.
21.Lebron, I., Robinson, D.A., Oatham, M., and Wuddivira, M.N. 2012. Soil water repellency and pH soil change under tropical pine plantations compared with native tropical forest. J. Hydrol. 414: 194-200.
22.Leue, M., Gerke, H.H., and Godow, S.C. 2015. Droplet infiltration and organic matter composition of intact crack and biopore surfaces from clay‐illuvial horizons. J. Plant Nutr. Soil Sci. 178: 2. 250-260.
23.Martínez-Zavala, L., and Jordán-López, A. 2009. Influence of different plant species on water repellency in Mediterranean heathland soils. Catena. 76: 3. 215-223.
24.Morgan, R.P.C. 2005. Soil Erosion and Conservation, 3rd. edition. Blackwell Publishing, Oxford.
25.Nelson, D.W., and Sommers, L.E. 1996. Total carbon, organic carbon and organic matter. Methods of soil analysis part 3-chemical methods, (methods of soil an 3). Pp: 961-1010.
26.Oostindie, K., Dekker, L.W., Wesseling, J.G., Ritsema, C.J., and Geissen, V. 2013. Development of actual water repellency in a grass-covered dune sand during a dehydration experiment. Geoderma. 204: 23-30.
27.Pardini, G., Gispert, M., and Dunjó, G. 2004. Relative influence of wildfire on soil properties and erosion processes in different Mediterranean environments in NE Spain. Science of the total Environment. 328: 1. 237-246.
28.Pierson, F.B., and Williams, C.J. 2016. Ecohydrologic impacts of rangeland fire on runoff and erosion: A literature synthesis.
29.Schaumann, G.E., Braun, B., Kirchner, D., Rotard, W., Szewzyk, U., and Grohmann, E. 2007. Influence of biofilms on the water repellency of urban soil samples. Hydrologicalprocesses. 21: 17. 2276-2284.
30.Shakesby, R.A., Coelho, C.D.A., Ferreira, A.D., Terry, J.P., and Walsh, R.P.D. 1993. Wildfire impacts on
soil-erosion and hydrology in wet Mediterranean forest, Portugal. Inter. J. Wildland Fire. 3: 2. 95-110.
31.Terefe, T., Mariscal-Sancho, I., Peregrina, F., and Espejo, R. 2008. Influence of heating on various properties of six Mediterranean soils. A laboratory study. Geoderma. 143: 3. 273-280.
32.Urbanek, E., Hallett, P., Feeney, D., and Horn, R. 2007. Water repellency and distribution of hydrophilic and hydrophobic compounds in soil aggregates from different tillage systems. Geoderma.
140: 1. 147-155.
33.Varela, M.E., Benito, E., and Keizer, J.J. 2010. Effects of wildfire and laboratory heating on soil aggregate stability of pine forests in Galicia: The role of lithology, soil organic matter content and water repellency. Catena. 83: 2. 127-134.
34.Vogelmann, E.S., Reichert, J.M., Prevedello, J., Consensa, C.O.B., Oliveira, A.É., Awe, G.O., and Mataix-Solera, J. 2013. Threshold water content beyond which hydrophobic soils become hydrophilic: The role of soil texture and organic matter content. Geoderma. 209: 177-187.
35.Vogelmann, E.S., Reichert, J.M., Reinert, D.J., Mentges, M.I., Vieira, D.A., de Barros, C.A.P., and Fasinmirin, J.T. 2010. Water repellency in soils of humid subtropical climate of Rio Grande do Sul, Brazil. Soil and Tillage Research. 110: 126-133.
36.Watson, C.L., and Letey, J. 1970. Indices for characterizing soil-water repellency based upon contact angle-surface tension relationships. Soil Sci. Soc. Amer. J. 34: 6. 841-844.
37.Wijewardana, N.S., Müller, K., Moldrup, P., Clothier, B., Komatsu, T., Hiradate, S., de Jonge, L.W., and Kawamoto, K. 2016. Soil-water repellency characteristic curves for soil profiles with organic carbon gradients. Geoderma. 264: 150-159. 
مجله پژوهش‌های حفاظت آب و خاک
دوره 25، شماره 4
مهر و آبان 1397
صفحه 27-47

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار