نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

• محمود بقایی ¹
• حمید غلامی ²
• ابوالحسن فتح آبادی ³
• مرضیه رضایی ⁴

¹ دانشجوی دکتری، مدیریت کنترل بیابان، گروه مهندسی منابع طبیعی، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه هرمزگان، هرمزگان، ایران

² دانشیار گروه مهندسی منابع طبیعی، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه هرمزگان، هرمزگان، ایران

³ استادیار گروه مرتع و آبخیزداری، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه گنبد کاووس، گنبد کاووس، ایران

⁴ استادیار گروه مهندسی منابع طبیعی، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه هرمزگان، هرمزگان، ایران

چکیده

مقدمه
تشدید فرسایش آبی یک تهدید ­محیط زیستی در قاره­‌های مختلف است که بار رسوب معلق در سامانه­‌های رودخانه‌­ای منتج شده از فرسایش تشدیدی به‌دلیل فعالیت­‌های انسانی نیز یک تهدید جدی برای مدیریت پایدار آبخیزها و خدمات اکوسیستم در سراسر دنیا محسوب می­‌شود. شناسایی منابع رسوب در آبخیزها به‌ منظور کاهش اثرات منفی آنها شامل اثرات درون منطقه‌­ای (مانند کاهش ضخامت و ماده آلی خاک، تخریب ساختمان خاک و غیره) و برون منطقه‌­ای و حل مشکلاتی مانند بیش‌غذایی و ته‌نشست رسوبات در مخزن سدها، لازم است. از بین روش­‌های مستقیم و غیرمستقیم مورد استفاده برای مطالعه منشا رسوب، انگشت­‌نگاری رسوب، روشی موثر برای تعیین سهم منابع رسوب (شامل اراضی کشاورزی، مرتعی، بایر و اراضی دارای فرسایش خندقی) در داخل یک آبخیز است. کاربرد موفقیت‌­آمیز این روش در محیط‌­های مختلف آبی و بادی گزارش شده است. در نتیجه، در پژوهش حاضر، به‌‌منظور شناسایی و کمی­‌کردن سهم منابع رسوب داخل حوزه آبخیز فارغان در استان هرمزگان، از روش انگشت‌نگاری رسوب استفاده شد.
 
مواد و روش‌ها
برای انجام پژوهش، تعداد 38 نمونه­ سطحی (صفر تا پنج سانتی­‌متر) به‌صورت تصادفی-سیستماتیک و با در نظر گرفتن توزیع مناسب از منابع بالقوه تولید­کننده رسوب شامل هشت نمونه از اراضی کشاورزی، 18 نمونه از محل دارای فرسایش خندقی و 12 نمونه از اراضی بایر و مرتعی و شش نمونه از رسوبات خروجی حوضه جمع ­آوری شد. پس از آماده­‌سازی نمونه‌­ها، غلظت عناصر ژئوشیمیایی شامل عناصر اصلی، نادر خاکی و کمیاب، با استفاده از دستگاه ICO_OES در آزمایشگاه مرکزی دانشگاه هرمزگان، اندازه‌­گیری شد. به‌منظور کمی­‌کردن سهم منابع رسوب، با استفاده از تحلیل تابع تشخیص، پنج ویژگی شامل تلوریوم (Te)، زیرکونیوم (Zr)، تانتال (Ta)، بریلیوم (Be) و سدیم (Na)، به‌عنوان ردیاب­‌های نهایی شناسایی شدند. در نهایت، با استفاده از مدل ترکیبی، سهم نسبی هر یک از منابع رسوب به‌دست آمد.
 
نتایج و بحث
طبق نتایج به‌دست آمده، 16.7 درصد سهم رسوبات مورد بررسی مربوط به کاربری کشاورزی، 50.6 درصد مربوط به خندق و 32.7 درصد مربوط به کاربری مرتع و بایر است. بر اساس نتایج، ترکیبی از Te، Zr، Ta، Be و Na قادر است که 87.5 درصد از نمونه­‌های برداشت شده از سه منبع شامل اراضی کشاورزی، فرسایش خندقی و اراضی بایر و مراتع را به درستی طبقه­‌بندی کند. از این رو، سهم خندق در تولید رسوب از کاربری­‌های کشاورزی و اراضی بایر و مرتعی مورد بررسی، بیشتر است. قسمت­‌های مرکزی حوضه نسبت به فرسایش خندقی حساسیت بالایی دارند، زیرا سازندهای زمین‌شناسی غالب در حوضه، بیشتر شامل بنگستان و همچنین، سازندهای آغاجاری و میشان است. سازند میشان، متشکل از لایه­‌های عمدتا مارنی و آهکی است و رخنمون‌های سازند آغاجاری متشکل از ماسه‌سنگ و مارن است. اراضی مسطح دشت را آبرفت­‌های دوران چهارم زمین‌شناسی تشکیل می­‌دهند که حاصل فرسایش سازندهای آغاجاری، میشان و سازندهای قدیمی‌تر هستند. همچنین، به‌دلیل این‌که مناطق مرکزی حوضه دارای شیب کمی بوده، خاک منطقه شامل خاک­‌های جوان و فاقد تکامل است و استفاده نادرست از کاربری­‌های منطقه باعث شده است، حساسیت به فرسایش خندقی در قسمت مرکزی حوضه بالا باشد.
 
نتیجه‌گیری
انگشت‌­نگاری منبع رسوبات، یک تکنیک مفید به‌منظور بررسی منشا رسوبات در محیط‌­های رسوبی اعم از بادی و رودخانه‌ای است. سهم‌های تخمین زده شده می‌­تواند در راستای برنامه­‌های مدیریت منابع آب و خاک به مهندسین آبخیز کمک کند. به‌دلیل تغییرپذیری واحدهای زمین­‌شناسی از یک منطقه به منطقه دیگر، نوع مدیریت کاربری اراضی و نوع واحدهای خاک هر منطقه، ردیاب­‌های انتخابی برای هر منطقه متفاوت است. به همین علت، تا کنون محققان قادر به ارائه یک دستورالعمل جامع برای انتخاب ردیاب­‌های بهینه در تمامی مناطق نبوده‌­اند. این موضوع یکی از چالش­‌های اصلی روش انگشت­‌نگاری رسوب است که در صورت غلبه بر این چالش، می­‌توان بخش زیادی از هزینه­‌های پژوهش که صرف اندازه‌گیری ردیاب­‌های مازاد می­‌شوند را کاهش داد. 

کلیدواژه‌ها

• حوزه آبخیز فارغان
• سهم منبع
• مدیریت آبخیز
• منابع بالقوه
• منشا رسوب

عنوان مقاله [English]

Fingerprinting of sediment sources deposited in the river bed using geochemical tracers and combination model in a catchment with severe gully erosion

نویسندگان [English]

• Mahmood Baghaei ¹
• Hamid Gholami ²
• Aboalhasan fathabadi ³
• Marzieh Rezai ⁴

¹ PhD student in Desert Management, Department of Natural Resources Engineering, Faculty of Agriculture and Natural Resources, University of Hormozgan, Hormozgan, Iran

² Associate Professor, Department of Natural Resources Engineering, Faculty of Agriculture and Natural Resources, University of Hormozgan, Hormozgan, Iran

³ Assistant Professor, Department of Range and Watershed Management, Faculty of Agriculture and Natural Resources, Gonbad Kavous University, Gonbad Kavous, Iran

⁴ Assistant Professor, Department of Natural Resources Engineering, Faculty of Agriculture and Natural Resources, University of Hormozgan, Hormozgan, Iran

چکیده [English]

Introduction
Accelerated soil erosion by water is an environmental threat on different continents. Suspended sediment loads in riverine systems resulting from the accelerated erosion due to human activities are a serious threat to the sustainable management of watersheds and ecosystem services therein worldwide. Identifying sediment provenance in the catchments is essential to to mitigate its negative effects consisting of on-site (e.g., decreasing soil depth and depletion of soil organic, degradation of soil structure, and etc.) and off-site effects and to help remedy problems such as eutrophication, and siltation of reservoirs. Among direct and indirect methods used to study the sediment source, sediment fingerprinting is a useful technique for determining contribution of sediment sources within a catchment like agricultural lands, rangelands, barelands, and etc. The successful application of this method reported in fluvial and aeolian environments. In this study, sediment fingerprinting method used to identify sediment sources and quantifying contribution of its sources in the Farghan Catchment in Hormozgan Province.
 
Materials and methods
In this research, 38 surficial samples (0-5 cm) were collected randomly-systematic with a good distribution from the potential sources (consisting of eight samples in agricultural lands, 18 samples from gully erosion sites and 12 samples from barelands and rangelands) and six samples from sediment deposited in the bed of the river in vicinity of catchment outlet, respectively, and after samples preparation, the concentration of the geochemical elements (consisting of major elements, rare earth elements and trace elements) were measured by ICP-OES in the central laboratory of University of Hormozgan. Stepwise discriminant function (DFA) was applied to discriminate the sediment sources, and five tracers consisting of Te, Zr, Ta, Be and Na were selected as the final tracers. Finally, the relative contribution from each source was determined by mixing model.
 
Results and discussion
Based on the results, the mean contribution for the agricultural lands, barelands and rangelands, and gully erosion sited were estimated 16.7, 50.6, and 32.7 %, respectively. Based on the results, a combination of Te, Zr, Ta, Be and Na were able to correctly classify 89.3% of the source sediment samples consisting of agricultural lands, gully erosion sites, barelands and rangelands. Due to high sediment rate, gully erosion sites are one of the important forms of soil erosion by water. The central parts of catchment are the most susceptible region to gully erosion because these areas are covered by lithological formations such as Bangestan, Aghajari and Mishan. Mishan lithological formation is involving the marl, limestone, and the Aghajari outcrop consists of sandstone and marl. The lands of flat plains are covered by quaternary fluvial depositions resulting from the erosion of Aghajari, Mishan and older lithological formations. Due to low slop of central parts of study area, existing young soils and without developed horizons and mismanagement of land uses, the land susceptibility to gully erosion is high in central parts.
 
Conclusion
Sediment source fingerprinting is a useful technique to investigate the origin of sediment in both windy and fluvial sedimentary environments. The estimated source proportions can help watershed engineers plan the targeting of conservation programmes for soil and water resources and due to the variability of geological units from one region to another, the type of land use management, and the type of soil units of each region, the selected trackers for each region are different, and for this reason, until now researchers are able to provide a comprehensive guide for choosing a tracker. were not optimal in all regions, and this issue is one of the main challenges of sediment fingerprinting.

کلیدواژه‌ها [English]

• Farghan Catchment
• Potential sources
• Sediment provenance
• Source contribution
• Watershed management