بررسی مقایسه‌ای تأثیر آتش‌سوزی و تغییر کاربری بر تجزیه کربن آلی خاک در بخش اندازه خاکدانه در جنگل-های بلوط زاگرس شمالی

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 عضو هیات علمی، گروه علوم و مهندسی خاک دانشده کشاورزی، دانشگاه کردستان، سنندج، ایران

2 گروه علوم و مهندسی خاک دانشکده کشاورزی دانشگاه کردستان، سنندج، ایران

چکیده

سابقه و هدف: آتش‌سوزی و تغییر کاربری جنگل‌ها به‌دلیل نقش قابل توجه در تخریب محیط‌زیست و تغییرات اقلیمی به یکی از نگرانی‌های قابل توجه جهانی تبدیل شده است. در این میان، خاک جنگل‌ها به‌دلیل دارا بودن ماده آلی نسبتاً بالا و ساختمان مناسب همواره مورد توجه بوده است. اما آتش‌سوزی و تغییر در مدیریت کاربری این زیست‌بوم‌ها و اعمال خاک‌ورزی اثرات زیان‌بار زیادی بر ساختمان خاک و از دست رفتن ماده آلی آن‌ها داشته است. لذا این پژوهش اثر آتش‌سوزی و تغییر کاربری زمین به تاکستان بر میزان کربن آلی خاک و نرخ تجزیه آن در بخش اندازه خاکدانه در یک جنگل بلوط در زاگرس شمالی را مورد بررسی قرار می‌دهد.
مواد و روش‌ها: برای انجام این پژوهش خاک (عمق 5-0 سانتی‌متری) از یک جنگل دست‌نخورده از زیر تاج و بیرون تاج درختان برداشته شد، تیمار دوم بخش دیگری از این جنگل بود که سه سال پیش آتش‌سوزی در آن رخ داده بود، نمونه‌های خاک از محل‌های با شدت سوختگی ضعیف، متوسط و شدید برداشته شد. تیمار سوم بخش دیگری از این جنگل بود که 30 سال قبل به تاکستان تبدیل شده بود که در این کاربری نیز نمونه‌های خاک از زیر تاج و بیرون تاج درختان برداشته شد. نمونه‌های خاک هوا خشک شدند و به روش الک خشک به خاکدانه‌های 8-2، 2-1، 1-25/0 و 25/0 > میلی‌متر تفکیک شدند و مقدار کربن آلی هر بخش از خاکدانه‌ها تعیین شد. سپس هر اندازه خاکدانه در رطوبت 70 درصد ظرفیت زراعی در چرخه‌های دمایی از 5 تا °C 35 با فاصله دمایی °C 5 انکوباسیون شد و میزان تنفس پایه خاک پس از گذشت 2 روز از انکویاسیون در هر نقطه دمایی اندازه‌گیری شد. سپس میزان نرخ تجزیه کربن آلی در هر اندازه خاکدانه از شیب معادله میزان دی‌اکسیدکربن متصاعد شده در مقابل دمای متناظر با آن در هر چرخه دمایی به دست آمد.
یافته‌ها: نتایج این پژوهش نشان داد که تغییر کاربری و آتش‌سوزی به ویژه نوع شدید آن سبب تخریب چشم‌گیر خاکدانه‌های درشت و افزایش خاکدانه‌های ریز می‌شود. به گونه‌ای که بیشترین و کمترین میزان خاکدانه‌های درشت (mm 8-2) به ترتیب در کاربری‌های زیر تاج جنگل (6/61%) و زیر تاج تاکستان (1/11%) به دست آمد، در حالی‌که بیشترین و کمترین میزان خاکدانه‌های ریز (25/0 > میلی‌متر) به ترتیب در تیمارهای زیر تاج تاکستان (4/12%) و زیر تاج جنگل (7/5%) به دست آمد. همچنین نتایج نشان داد که در همه‌ی تیمارهای مورد بررسی با کاهش اندازه خاکدانه‌ها میزان کربن آلی خاک افزایش یافت. در مقایسه با جنگل دست‌نخورده، تغییر کاربری سبب کاهش چشم‌گیر کربن آلی خاک شده بود، در حالی‌که تغییراتی در میزان این شاخص در تیمارهای آتش‌سوزی مشاهده نشد. همچنین نتایج نشان داد که در همه‌ی تیمارهای مورد بررسی با کاهش اندازه خاکدانه میزان نرخ تجزیه کربن آلی افزایش یافت و این شاخص در کاربری‌های مورد بررسی از روند مقابل پیروی کرد: زیر تاج جنگل (2/7) > آتش‌سوزی شدید (4/5) ≥ بیرون تاج جنگل (2/5) > آتش‌سوزی متوسط (7/4) > آتش‌سوزی ضعیف (9/2) > زیر تاج تاکستان (4/1) > بیرون تاج تاکستان (4/0).
نتیجه‌گیری: در مجموع نتایج این پژوهش نشان داد که اثر30 سال تغییر کاربری در تخریب خاکدانه‌های خاک بیشتر از یک بار آتش-سوزی حتی از نوع شدید آن است، اما اثر یک بار آتش‌سوزی در تخریب خاکدانه‌های خاک بسیار بیشتر از یک سال تغییر کاربری است. همچنین نتایج این پژوهش نشان داد که کاربری‌های با مقدار ماده آلی فراهم و قابل تجزیه بیشتر (زیر تاج جنگل و آتش‌سوزی شدید) نسبت به تغییر کاربری (زیر تاج و بیرون تاج تاکستان) در مقابل تغییرات اقلیم آسیب‌پذیرتر بوده و گرمایش زمین را بیشتر تشدید می-کنند.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Comparative study of the effects of wildfire and land use change on soil organic carbon decomposition rate in aggregate size fraction in the Northern Zagros Oak Forest

نویسندگان [English]

  • Zahed Sharifi 1
  • Nahid Azadi 2
1 Department of Soil Science, College of Agriculture, University of Kurdistan Sanandaj, Iran
2 Department of Soil Science, College of Agriculture, University of Kurdistan , Sanandaj, Iran
چکیده [English]

Background and Objectives: Forest fires and land use change have become a major global concern due to their significant role in environmental degradation and climate change. Meanwhile, the soil of forests and pastures has always been considered due to its relatively high organic matter and suitable structure. But fires and changes in the management of these ecosystems and the application of tillage have had detrimental effects on soil structure and loss of organic matter of the natural ecosystems. Therefore, this study investigates the effect of wildfires and land use change to vineyard on soil organic carbon (SOC) content and its soil organic carbon decomposition rate (SDR) in aggregate size fraction in an Oak Forest in Northern Zagros.
Materials and Methods: For this purpose, topsoil (0-5 cm depth) was sampled in a natural oak forest from both inside (FI) and outside (FO) sprout clumps, a portion of the forest burned three years earlier from areas undergone high (BHI), moderate (BMI), or low (BLO) severity, and a vineyard planted thirty years earlier in place of the forest from both under the foliage of vines (VI) and outside it (VO). All soil samples were air-dried and sieved to obtain four aggregate size fractions (8–2, 2–1, 1–0.25, and Results: The results of this study showed that cultivation and fire, especially its severe type, cause significant damage to large aggregates and increase the fine aggregates. So that, the highest and lowest amounts of coarse aggregates (2–8 mm) were obtained in FI (61.6%) and VI (11.1%) treatments, respectively. Whereas, the highest and lowest amounts of fine aggregates (< 0.25 mm) were obtained in VI (12.4%) and FI (5.7%) treatments, respectively. The results also showed that in all the studied treatments, the amount of SOC increased with decreasing of the soil aggregates size. Furthermore, in compared to the virgin forest, cultivation in the vineyard resulted in a significant reduction in SOC, while no changes in this parameter were observed in the fire treatments. The results also showed that in all the studied treatments, the amount of SDR index increased with decreasing of the soil aggregates size and this index followed the trend: FI (7.2) > BHI (5.4) > FO (5.2) > BMI (4.7) > BLO (2.9) > VI (1.4) > VO (0.4).
Conclusion: Overall, thirty years of farming were more impacting on soil aggregates degradation than a single fire, although severe; nevertheless, severe fire appears to have been much more impacting on soil aggregates degradation than every single yearly plowing. The results also showed that the SDR in soils that are rich in organic matter (FI and BHI) could be more sensitive to warming and intensify global warming more strongly than arable lands (VI and VO).

کلیدواژه‌ها [English]

  • Wildfire
  • Land use changes
  • Aggregates
  • Organic carbon decomposition rate

مراجع

1.An, S., Mentler, A., Mayer, H., and Blum, W.E. 2010. Soil aggregation, aggregate stability, organic carbon and nitrogen in different soil aggregate fractions under forest and shrub vegetation on the Loess Plateau. China. Catena. 81: 3. 226-33.
2.Jian, M., Berli, M., and Ghezzehei, T.A. 2018. Soil structural degradation during low‐severity burns. Geophysical Research Letters. 45: 11. 5553-5561.
3.Ayoubi, Sh., Mokhtari, P., Mosaddeghi, M.R., and Honarjoo, N. 2012. Soil aggregation and organic carbon as affected by topography and land use change in western Iran. Soil Tillage Researcher. 121: 18-26.
4.Riahi, Z., Bazgir, M., Valizadeh Kakheki, F., and Rostaminya, M. 2019. Impact of fire on soil physical and chemical properties in the pastures of Badreh area in Ilam province. J. Water Soil Cons.
25: 25-46.
5.Burdukovskii, M., Kiseleva, I., Perepelkina, P., and Kosheleva, Y. 2019. Impact of different fallow durations on soil aggregate structure and humus status parameters. Soil and Water Research.
15: 1. 1-8.
6.Certini, G. 2005. Effects of fire on properties of forest soils: a review. Oecologia. 143: 1. 1-10.
7.Ciric, V., Manojlovic, M., Nesic, L., and Belic, M. 2012. Soil dry aggregate size distribution: effects of soil type and land use. J. Soil Sci. Plant Nutr. 12: 4. 689-703.
8.Conant, R.T., Drijber, R.A., Haddix, M.L., Parton, W.J., Paul, E.A., Plante, A.F., Six, J., and Steinweg, J.M. 2008. Sensitivity of organic matter decomposition to warming varies with its quality. Global Change Biologycal. 14: 4. 868-877.
9.Khaledian, Y., Kiani, F., Ebrahimi, S., and Movahedi Naeini, A. 2011. Impact of forest degradation, changing land use and building villas on some indicators of soil quality in the watershed, Golestan province. J. Water Soil Cons. 17: 167-183.
11.Fang, X.M., Chen, F.S., Wan, S.Z., Yang, Q.P., and Shi, J.M. 2015. Topsoil and deep soil organic carbon concentration and stability vary with aggregate size and vegetation typein Subtropical China. PLoS ONE.10: 9. p.e0139380.
12.Fierer, N., Craine, J.M., McLauchlan, K., and Schimel, J. 2005. Litter quality and the temperature sensitivity of decomposition. Ecology. 86: 2. 320-326.
13.Follett, R.F., Paul, E.A., and Pruessner, E.G. 2007. Soil carbon dynamics during a long-term incubation study involving 13C and 14C measurements. Soil Science. 172: 3. 189-208.
14.Garcia-Diaz, A., Allas, R.B., Gristina, L., Cerda, A., Pereira, P., and Novara, A. 2016. Carbon input threshold for soil carbon budget optimization in eroding vineyards. Geoderma. 271: 144-149.
15.Granged, A.J.P., Jordan, A., Zavala, L.M., Munoz-Rojas, M., and Mataix-Solera, J. 2011. Short-term effects of experimental fire for a soil under eucalyptus forest (SE Australia). Geoderma. 167: 125-134.
17.Hamburg, D.R., and Reed, D.C. 1997. Patent and Trademark office. U.S Patent Washington. 55: 1-3.
18.Haghverdi, K. 2017. The effect of tree covers on soil microbiological indices and CO2 emission. J. Water Soil Cons. 24: 63-81.
19.Jaggi, W. 1976. Die Bestimmung der CO2-Bildungals MaB der bodenatmung under Carbonate im Boden. Zplanzenernaehr Bodenkd. 56: 26-38.
20.Singh, M.K., Singh, S., and Ghoshal, N. 2017. Impact of land use change on soil aggregate dynamics in the dry tropics. Restoration Ecology. 25: 6. 962-971.
21.Jobbagy, E., and Jackson, R. 2000.The vertical distribution of soil organic carbon and its relation to climateand vegetation. Ecology. APPLIED.10: 2. 423–436.
22.Joergensen, R.G., Brookes, P.C., and Jenkinson, D.S. 1990. Survival of the soil microbial biomass at elevated-temperatures. Soil Biology and Biochemistry. 22: 2. 1129-1136.
23.Khatirpasha, N., Hojjati, S.M., Pourmajidiyan, M.R., and Asadiyan, M. 2018. Impact of land use change on physical, chemical and biological soil properties in the Qalek forest-Ghaemshahr city. J. Water Soil Cons. 24: 211-225.
24.Kemper, W.D., and Rosenau, R.C. 1986. Aggregate stability and size distribution. In: Klute, A. (Ed.), Methods of Soil Analysis. Part 1. Physical and Mineralogical Methods. Madison, WI. Pp: 425-442.
25.Haghian, I., and Salari A. 2018. Investigation of environmental factors controlling soil organic carbon in rangelands of arid regions (Case study: Yansi region of Gonabad). J. Water Soil Cons. 25: 281-289.
26.Kirschbaum, M.U.F. 2006. The temperature dependence of organic-matter decomposition - still a topic of debate. Soil Biology and Biochemistry. 38: 9. 2510-2518.
27.Sadeghifar, M., Beheshti Ale Agha, A., and Pourreza, M. 2017. The recovery of soil physical and chemical properties in years after fire in Zagros oak woodlands in Kermanshah province. J. Water Soil Cons. 24: 289-302.
28.Sharifi, Z., Nazari, Ch., Mohammadi Samani, K., and Shabanian, N. 2015. Effect of three successive years of fire on some physicochemical properties of a forest soil around Zarivar Lake in Marivan. Iran. J. Soil Water Res.46: 555-565.
29.Lavorel, S., Flannigan, D.M., Lambin, E.F., and Schole, M.C. 2007. Vulnerability of land systems to fire: interactions among humans, climate, the atmosphere, and ecosystems. Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change. 12: 1. 33-53.
30.Liu, W., Zhang, Z., and Wan, S. 2009. Predominant role of water in regulating soil and microbial respiration and their responses to climate change in a semiarid grassland, Glob. Change Biology. 15: 1. 184-195.
31.Mikan, C., Schimel, J., and Doyle, A. 2002. Temperature controls of microbial respiration in arctic tundra soils above and below freezing. Soil Biology and Biochemistry. 34: 11. 1785-1795.
32.Mikha, M.M., and Rice, C.W. 2004. Tillage and manure effects on soil and aggregate-associated carbon and nitrogen. Soil Sci. Soc. Amer. J. 68: 3. 809-816.
33.Motaghian, H.R., and Mohammadi, J. 2012. Statistical and geostatistical appraisal of spatial variability of aggregate stability and aggregate-associated organic carbon content on a catchment scale in a semi-arid region, Central Iran. Desert. 17: 1. 27-39.
34.Moyano, F.E., Vasilyeva, N., Bouckaert, L., Cook, F., Craine, J., Curiel-Yuste, J., Don, A., Epron, D., Formanek, P., Franzluebbers, A., Ilstedt, U., Kätterer, T., Orchard, V., Reichstein, M., Rey, A., Ruamps, L., Subke, J.A., Thomsen, I.K, and Chenu, C. 2012. The moisture response of soil heterotrophic respiration, interaction with soil properties. Biogeoscience. 9: 3. 1173-1182.
35.Novara, A., Cerdà, A., Carmelo, D., Giuseppe, L.P., Antonino, S., and Luciano, G. 2015. Effectiveness of Carbon Isotopic Signature for Estimating Soil Erosion and Deposition Rates in Sicilian Vineyards. Soil and Tillage Research. 152: 1-7.
36.Parsons, A., Robichaud, P.R., Lewis, S.A., Napper, C., and Clark, J.T. 2010. Field Guide for Mapping Post-Fire Soil Burn Severity. Gen. Tech. Rep. RMRS-GTR-243. U.S. Department of Agriculture, Forest Service, Rocky Mountain Research Station, Fort Collins. CO. 49p.
37.Pourreza, M., Hosseini, S.M., Safari Sinegani, A.A., Matinizadeh, M., and Warren, A. 2014. Soil microbial activity in response to fire severity in Zagros oak (Quercus brantii Lindl.) forests, Iran, after one year. Geoderma. 213: 95-102.
38.Schuman, G.E., Janzen, H., and Herrick, J.E. 2002. Soil carbon informationand potential carbon sequestrationby rangelands. Environment Pollution. 116: 3. 391-396.
39.Shrestha, B.M, Singh, B.R., Sitaula, B.K., Lal, R., and Bajracharya, R.M. 2007. Soil aggregate and particle-associated organic carbon under different land uses in Nepal. Soil Sci. Soc. Amer. J. 71: 4. 1194-1203.
40.Six, J., Elliott, E.T., Paustian, K., and Doran, J.W. 1998. Aggregation and soil organic matter accumulation in cultivated and native grassland soils. Soil Sci. Soc. Amer. J. 62: 5. 1367-1377.
41.Six, J., Paustian, K., Elliott, E.T., and Combrink, C. 2000. Soil structure and organic matter: I. Distribution of aggregate-size classes and aggregate-associated carbon. Soil Sci. Soc. Amer. J. 64: 2. 681-689.
42.Smith, P., Fang, C., Dawson, J.J.C., and Moncrieff, J.B. 2008. Impact of global warming on soil organic carbon. Adv. Agronomy. 97: 1-43.
43.Weltzin, J.F., Loik, M.E., Schwinning, S., Williams, D.G., Fay, P.A., Haddad, B.M., Harte, J., Huxman, T.E., Knapp, A.K., Lin, G.H., Pockman, W.T., Shaw, M.R., Small, E.E., Smith, M.D., Smith, S.D., Tissue, D.T., and Zak, J.C. 2003. Assessing the response of terrestrial ecosystems to potential changes in precipitation. Bioscience. 53: 10. 941-952.
44.Xu, X., Luo, Y.Q., and Zhou, J.Z. 2012. Carbon quality and the temperature sensitivity of soil organic carbon decomposition in a tallgrass prairie. Soil Biology Biochemistry. 50: 142-148.
45.Sharifi, Z., Nazari, Ch., Mohammadi Samani, K., and Shabanian, N. 2017. Effects of a wildfire on some soil properties in northeran Zagros Oak Forest (case study: Marivan Region). Water and Soil Science. 27: 1. 1-16.
46.Fletcher, Ch. 2018. Climate Change: What The Science Tells Us. Published by John Wiley & Sons. 352p.
48.Shamsi Mahmoudabadi, S., Khormali, F., Ghorbani Nasrabadi R., and Pahlavani M.H. 2011. Effect of vegetation cover and the type of land use on the soil quality indicators in loess derived soils in Agh-Su area (Golestan province). J. Water Soil Cons.17: 4. 167–184.
50.Varasteh Khanlari, Z., Golchin A., Mousavi Kupar, S.A., and Alamdari, P. 2019. The change of the biological properties of a forest soil after converting to the paddy field and determination of the most sensitive properties to land use change. J. Water Soil Cons. 26: 269-282.
مجله پژوهش‌های حفاظت آب و خاک
دوره 27، شماره 4
مهر و آبان 1399
صفحه 167-184

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار