بررسی تأثیر مواد مادری و وضعیت توپوگرافی بر خصوصیات منحنی رطوبتی و شاخص های پایداری خاک‌دانه‌ها (مطالعه موردی: بخش هایی از استان خراسان رضوی)

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد رشته آبخیزداری، دانشکده منابع طبیعی و محیط زیست، دانشگاه فردوسی مشهد

2 استادیار دانشکده منابع طبیعی و محیط زیست دانشگاه فردوسی مشهد

3 دانشکده کشاورزی، دانشگاه فردوسی مشهد

چکیده

مقدمه و هدف: شناخت عوامل مختلف بر خصوصیات منحنی رطوبتی و پایداری خاک‌دانه‌ها می‌تواند در درک بهتر پتانسیل‌های محیطی و مدیریت عرصه‌های طبیعی نقش مهمی داشته باشد. منحنی مشخصه رطوبتی خاک، تغییرات رطوبت در مکشهای مختلف خاک را نشان میدهد. همچنین پایداری خاک‌دانه‌ها نیز شاخص دقیقی برای ارزیابی کیفیت خاک در برنامه‌ریزی استفاده بهینه از عرصه های طبیعی و زراعی است. در بیشتر تحقیقات انجام شده این دو مشخصه در خاک‌های زراعی مورد بررسی قرار گرفته است، در تحقیق حاضر با توجه به تأثیر خصوصیات منحنی رطوبتی و پایداری خاک‌دانه ها بر وضعیت پوشش گیاهی طبیعی و همچنین تأثیر بر نفوذپذیری، ظهور رواناب و فرسایش خاک سعی برآن است که برخی عوامل مؤثر بر دو مشخصه مذکور مورد بررسی قرار گیرد. جنس سنگ بستر و وضعیت توپوگرافی زمین عواملی هستند که می‌توانند تأثیر قابل توجهی بر ویژگی های منحنی رطوبتی خاک و پایداری خاک‌دانه‌ها داشته باشند. ترکیب کانیشناسی، بافت و ساختار سنگ مادر، تأثیر مستقیمی بر توانایی خاک در نگهداری و جذب آب، نفوذپذیری و خصوصیات منحنی رطوبتی دارد. وضعیت توپوگرافی نیز به دلیل تأثیر بر فرآیندهای هیدرولوژیکی و میکروکلیما، نقش مهمی در توزیع و نگهداری رطوبت خاک ایفا میکند. علاوه بر این، توپوگرافی بر فرآیندهای تشکیل خاک و نوع پوشش گیاهی مؤثر است که این عوامل نیز به نوبه خود بر خصوصیات رطوبتی و پایداری خاک‌دانه‌ها تأثیر گذارند.
مواد و روش‌ها: منطقه مورد مطالعه در استان خراسان رضوی و شهرستان‌های مشهد، تربت حیدریه، سرخس و چناران قرار دارد. در این تحقیق هفت جنس سنگ مارن، آهک (در دو دوران سنوزوئیک و مزوزوئیک)، افیولیت، شیل، گرانیت و ماسه سنگ از سنگ های نسبتاً خالص استان خراسان رضوی با استفاده از نقشه‌های زمین شناسی 1:100000 سازمان زمین شناسی کشور انتخاب شدند. برای تعیین عامل خصوصیات توپوگرافی از شاخص رطوبت توپوگرافی استفاده شد که این شاخص در دو کلاس مثبت و منفی مورد بررسی قرار گرفت. شاخص رطوبت توپوگرافی، گرایش آب به جمع شدن را در هر نقطه از زیرحوضه و تمایل نیروهای گرانشی را به انتقال آب به پایین‌دست توصیف می‌کند. شاخص رطوبت توپوگرافی از ترکیب مساحت حوضه بالادست و شیب به دست می‌آید و تعیینکننده تأثیر توپوگرافی بر روی میزان سطوح اشباع جهت تولید روانآب است. بر این اساس و با توجه به بررسی هفت جنس سنگ، در مجموع ۱۴ تیمار مختلف وجود دارد که با احتساب سه تکرار برای هر تیمار در مجموع ۴۲ نمونه از عمق ۰-۲۰ سانتی‌متری با استفاده از استوانه نمونه گیر برداشت شد و برای تهیه منحنی رطوبتی خاک و تعیین شاخص‌های پایداری ساختمان خاک جهت اندازه‌گیری خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک آماده‌سازی گردید. برای تهیه منحنی رطوبتی خاک نمونه‌های مورد نظر از دستگاه صفحات فشاری استفاده شد و مقدار رطوبت در مکش‌های ماتریک اشباع، ۱۰، ۳۰، ۵۰، ۱۰۰، ۳۰۰، ۵۰۰، ۱۰۰۰ و ۱۵۰۰ کیلوپاسکال تعیین شدند. شاخص‌های متعددی برای ارزیابی پایداری خاک‌دانه‌ها استفاده شده است، از جمله این شاخص‌ها می‌توان به میانگین وزنی قطر خاک‌دانهها در دو حالت الک خشک و تر، شاخص پایداری خاک‌دانه‌ها و درصد تخریب خاک‌دانهها اشاره نمود.
یافته‌ها: با توجه به نتایج حاصل از منحنی‌های رطوبتی خاک بیشترین نگهداشت رطوبت مربوط به بافت‌ متوسط (لومی) و کمترین مربوط به بافت‌ سبک (شنی لومی) است. تغییرات شیب منحنی در خاک های متوسط تدریجی است ولی در خاک‌های سبک به دلیل وجود خلل و فرج درشت ناگهانی است. همچنین نتایج نشان داد که خاک‌های حاصل از سنگ بستر شیل دارای بیشترین مقدار درصد رطوبت وزنی در مکش‌های مختلف است به گونه ای که در مکش 10 کیلوپاسکال بیش از 50 درصد رطوبت را نگه می دارد. بعد از آن نیز مارن، آهک ژوراسیک، آهک پالئوژن بیشترین مقدار درصد رطوبت وزنی در مکش‌های مختلف را از خود نشان می‌دهند و سنگ بستر ماسه‌سنگ تنها با نگهداشت 20 درصد رطوبت در مکش 10 کیلوپاسکال کمترین مقدار درصد رطوبت وزنی در مکش‌های مختلف را نشان می‌دهند. مقدار رطوبت اشباع در دو جنس سنگ شیل و مارن به ترتیب بیشترین مقدار و در هر دو بیشتر از ۵۰ درصد می‌باشد. بعد از آن جنس سنگ‌های آهک ژوراسیک چناران و آهک پالئوژن سرخس و افیولیت دارای بیشترین مقدار رطوبت اشباع می‌باشند. دو جنس سنگ گرانیت و ماسه‌سنگ با کمتر از 30 درصد، کمترین مقدار رطوبت اشباع را به خود اختصاص دادند. همچنین هر چه بافت خاک به سمت مرکز مثلث بافت خاک و تاحدودی متمایل به سیلت باشد از نظر ویژگی‌های منحنی رطوبتی دارای رطوبت اشباع و ظرفیت زراعی بالاتری است که نمونه آن در جنس سنگ‌های مارن و شیل مشهود است. جنس سنگ افیولیت و ماسه‌سنگ با بیش از یک میلیمتر دارای میانگین وزنی قطر خاکدانه‌های بیشتری نسبت به بقیه جنس سنگ‌ها هستند. که نشان‌دهنده این است که درصد سیلت در خاک رابطه معکوسی با میانگین وزنی قطر خاکدانه دارد. بدیهی است که میانگین وزنی قطر خاک‌دانه‌ها در حالت خشک بیشتر از حالت تر باشد ولی در جنس سنگ آهک ژوراسیک چناران تخریب خاک‌دانه‌ها بیش از 80 درصد بود که نشان دهنده پاشیده شدن بیشتر خاک‌دانه‌های این جنس سنگ نسبت به دیگر خاک‌ها می باشد. رس و سیلت بیش از ۶۰ درصد در خاک‌هایی با جنس سنگ‌ آهک پالئوژن سرخس، آهک ژوراسیک چناران، مارن و شیل باعث شده است که درصد پایداری خاک‌دانه این جنس سنگ‌ها به کمتر از ۱۰ درصد برسد.
نتیجه گیری: تفاوت در جنس سنگ می‌تواند سبب بروز تفاوت‌های معنی داری در خصوصیات منحنی رطوبتی و شاخص های پایداری ساختمان حاصل از آن‌ها گردد. همچنین همبستگی معنی داری بین خصوصیات منحنی رطوبتی خاک و شاخص‌های پایداری خاک‌دانه‌ها در جنس سنگ‌های مختلف مشاهده شد. از سویی دیگر یررسی جنس سنگ آهک در دوران‌های دوم و سوم زمین شناسی جهت تعیین نقش سن در متغیرهای مورد بررسی نشان داد که تفاوت معنی داری در شاخص‌های مورد بررسی با تغییر سن وجود ندارد. از بین خصوصیات شیمیایی خاک، ماده آلی و از بین خصوصیات فیزیکی خاک بافت نقش زیادی در منحنی رطوبتی و شاخص‌های پایداری خاک‌دانه‌ها نشان دادند. در نهایت در اغلب متغیرهای مورد بررسی از خصوصیات منحنی رطوبتی و شاخص‌های پایداری ساختمان خاک در رطوبت توپوگرافی مثبت و منفی تفاوت معنی دار مشاهده نشد که این موضوع بیانگر عدم تأثیر این عامل در شاخص‌های مورد بررسی است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Investigating the influence of parent material and topography on the soil-water retention curve and soil aggregate stability indicators (Case study: parts of Khorasan Razavi Province)

نویسندگان [English]

  • Mahmood Zare 1
  • Ali Golkarian 2
  • Hojat Emami 3
  • Maryam Shahrokhi 1
1 1. M.Sc. in Watershed Management, Range and Watershed Management Department, Faculty of Natural Resources and Environment, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran
2 Assistant Professor Faculty of Natural Resources and Environment of Ferdowsi university of mashhad
3 Soil Science Dept., Faculty of Agriculture, Ferdowsi University of Mashahd, Mashhad, Iran
چکیده [English]

Introduction: Knowing the different factors on the characteristics of soil-water retention curve and soil aggregate stability can play an important role in better understanding the environmental potentials and managing natural areas. The soil-water retention curve shows the changes of moisture in different soil suctions, and the stability of soil aggregate is also an accurate indicator for evaluating soil quality in planning the optimal use of natural and agricultural areas. In most of the research conducted, these two characteristics have been investigated in agricultural soils. In the present study, considering the effect of the soil-water retention curve and aggregate stability indicators on the state of natural vegetation, as well as the effect on permeability, runoff emergence, and soil erosion, an attempt is made to investigate some of the factors affecting the two aforementioned characteristics. Parent materials and the topographic condition of the land are factors that can have a significant impact on the soil-water retention curve and soil aggregate stability. The mineralogical composition, texture and structure of the parent rock has a direct effect on the ability of the soil to retain and absorb water, permeability and characteristics of the retention curve. The topography conditions also plays an important role in the distribution and maintenance of soil moisture due to its influence on hydrological processes and microclimate. In addition, topography affects the processes of soil formation and the type of vegetation, which in turn affect the soil water retention characteristics and stability of soil aggregates.
Material and methods: The studied area is located in Razavi Khorasan province and the cities of Mashhad, Torbat Heydarieh, Sarkhs and Chenaran. In this research, the soil characteristics of seven types of marl, limestone (Cenozoic and Mesozoic), ophiolite, shale, granite and sandstone were selected from the relatively pure rocks of Razavi Khorasan province, Using 1:100,000 geological maps from the Geological Organization of Iran. Topographic wetness index was used to determine the factor of topographic characteristics, and this index was evaluated in two classes, positive and negative. The topographic wetness index describes the tendency of water to accumulate in any point of the sub-basin and the tendency of gravity forces to transport water downstream. The topographic wetness index is obtained from the combination of the area of the upstream basin and the slope, and it determines the effect of topography on the amount of saturation levels for the production of runoff. Based on this and according to the examination of seven types of stones, there are a total of 14 different treatments, which, including three replications for each treatment, a total of 42 samples were taken from a depth of 0-20 cm using a cylinder sampler and used to prepare a soil-water retention curve, determination of stability indicators of soil aggregates and measurement of physical and chemical properties. A pressure plate device was used to prepare the soil-water retention curve and the amount of moisture was determined in different matric suctions, including saturation and suctions of 10, 30, 50, 100, 300, 500, 1000 and 1500 kilopascals. Several indices have been used to evaluate the stability of soil aggregates, among these indices, we can refer to the weighted average of the diameter of soil aggregates in dry and wet sieving conditions, the stability index of soil aggregates and the percentage of degradation of soil aggregates.
Results and Discussion: According to the results of soil-water retention curve, the highest moisture retention is related to medium texture (Loam) and the lowest is related to light textures (Sandy loam). Changes in the slope of the curve in medium soils are gradual, but in light soils it is sudden due to the presence of large pores. Also, the results showed that shale has the highest percentage of moisture in different suctions, such that at a suction of 10 kPa, they retain more than 50% moisture. After that, marl, Jurassic limestone, Paleogene limestone show the highest amount of moisture percentage and sandstone, with only 20% moisture retention at 10 kPa suction, show the lowest amount of moisture percentage in different suctions.
The amount of saturated moisture in the soils of shale and marl, respectively, is the highest and is more than 50% in both of them. After that, the Jurassic limestone soils of Chenaran and Paleogene limestone of Sarakhs and ophiolite have the highest amount of saturated moisture.
Granite and sandstone soils generally had the lowest amount of saturated moisture with less than 30%. Also, soils containing more silt, in terms of retention curve characteristics, have higher saturated moisture and agricultural capacity, which can be seen in marl and shale soils.
Ophiolite and sandstone soils have more weight average diameter of soil aggregates than other types of rocks, with more than one millimeter. Which indicates that the percentage of silt in the soil has an inverse relationship with the average weighted diameter of the soil aggregate. It is obvious that the average weighted diameter of soil aggregates in dry state is higher than in wet state, but in the jurassic limestone soils of Chanaran, the destruction of soil aggregates was more than 80%, which indicates that soil aggregates of this rock type are more dispersed than in other soils. The percentage of clay and silt more than 60% in the Paleogene Sarakhs limestone, Jurassic Chenaran limestone, marl and shale has caused the stability of the soil aggregates in the soils of these rocks to reach less than 10%.
Conclusion: Differences in rock type can cause significant differences in the characteristics of the soil-water retention curve and aggregate stability indicators Soils formed from them. Also a significant correlation was observed between the characteristics of the soil-water retention curve and soil aggregate stability indicators in different types of rocks. On the other hand investigating the type of limestone in the second and third geological periods showed that there is no significant difference in the investigated indicators with age change. Among the chemical properties of the soil, organic matter and among the physical properties of the soil, the texture plays a large role in the retention curve and stability indicators of soil aggregate. Finally there was no significant difference between positive and negative topographic wetness index in most of the studied variables of retention curve characteristics and soil aggregate stability indicators, which indicates the lack of influence of this factor on the studied indicators.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Water Retention Curve
  • Geology
  • Topographic Wetness
  • Soil Aggregates Stability
  • Khorasan Razavi