نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

• سعیدرضا مؤذنی نقندر ¹
• علی سلاجقه ²
• شهرام خلیقی سیگارودی ³
• علی گلکاریان ⁴

¹ دانشجوی دکتری، گروه احیا مناطق خشک و کوهستانی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران، ایران

² استاد، گروه احیا مناطق خشک و کوهستانی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران، ایران

³ دانشیار، گروه احیا مناطق خشک و کوهستانی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران، ایران

⁴ دانشیار ، گروه مرتع و آبخیزداری، دانشکده منابع طبیعی و محیط زیست، دانشگاه فردوسی مشهد، ایران

چکیده

مقدمه
مناطق کوهستانی، به‌عنوان حساس‌ترین و حیاتی‌ترین زیست‌بوم‌ها، نقش مهمی در تأمین آب شیرین، تنظیم اقلیم و حفظ تنوع زیستی ایفا می‌کنند. با این حال، این مناطق به‌دلیل فرسایش خاک، تخریب منابع طبیعی و تغییرات اقلیمی آسیب‌پذیرند. مدیریت پایدار آب و خاک در این مناطق، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است، زیرا کیفیت خاک به‌طور مستقیم با خدمات زیست بوم مرتبط است. عوامل طبیعی و انسانی گوناگونی بر ویژگی‌های خاک در مناطق کوهستانی تأثیر می‌گذارند. عواملی مانند شیب و جهت دامنه به‌طور مستقیم بر توزیع مواد آلی، پایداری خاکدانه‌ها و نفوذپذیری آب مؤثرند. فعالیت‌های انسانی مانند بهره‌برداری بی‌رویه از مراتع، چرای بیش از حد دام و تغییر کاربری اراضی نیز به تخریب خاک، کاهش نفوذپذیری و فرسایش شدید منجر می‌شوند. اقدامات مدیریتی مانند اجرای سازه‌های آبخیزداری و کاشت گیاهان بومی می‌توانند ظرفیت نگهداری آب و مواد غذایی خاک را افزایش داده و موجب بهبود ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی خاک شوند. حوضه‌های معرف و زوجی به‌عنوان آزمایشگاه‌های طبیعی برای بررسی فرایندهای هیدرولوژیکی و تأثیرات اقدامات مدیریتی در مقیاس محلی و منطقه‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند. این حوضه‌ها برای پایش و ارزیابی تغییرات در کیفیت خاک، آب و زیست‌بوم‌ها تحت‌تأثیر فعالیت‌های انسانی و شرایط اقلیمی حائز اهمیت هستند. هدف از این پژوهش، بررسی تأثیر متغیرهای توپوگرافی شامل جهت دامنه و شاخص رطوبت توپوگرافی (TWI) بر کارآمدی اقدامات احیایی در بهبود ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی خاک است.
 
مواد و روش‌ها
این پژوهش در دو زیرحوضه نمونه و شاهد در حوزه‌ آبخیز معرف-زوجی گنبد در استان همدان انجام شده است. این حوضه شامل دو زیرحوضه، یک زیرحوضه تحت پوشش عملیات آبخیزداری به‌عنوان زیرحوضه نمونه و دیگری بدون هیچگونه فعالیت آبخیزداری به‌عنوان زیرحوضه شاهد در نظر گرفته شده است. برای بررسی ارتباط توپوگرافی و ویژگی‌های خاک، نمونه‌برداری خاک در نقاط مختلفی از حوضه‌های شاهد و نمونه بر اساس دو عامل اصلی توپوگرافی، یعنی جهت دامنه و TWI انجام شد. برای بررسی تأثیر جهت دامنه، سه نقطه در دامنه‌های رو به شمال و سه نقطه در دامنه‌های رو به جنوب از هر دو زیرحوضه انتخاب شدند. شاخص TWI نیز با استفاده از معادله مربوطه محاسبه و هر زیرحوضه به سه ناحیه با شرایط رطوبتی مختلف (TWI پایین،TWI  متوسط و TWI بالا) تقسیم شد. با انجام سه تکرار، در مجموع، 36 نقطه نمونه‌برداری انتخاب شد. نمونه‌های خاک در پایان فصل رشد گیاهان، از عمق صفر تا ۱۵سانتی‌متری ضمن حفظ ساختمان خاک برداشت شدند. ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی خاک ازجمله نفوذپذیری خاک، بافت خاک، تخلخل خاک، پایداری خاکدانه‌ها، ماده آلی خاک، pH و هدایت الکتریکی خاک، ظرفیت نگهداری آب خاک و اجزای پوشش سطح خاک اندازه‌گیری شدند. اقدامات احیایی در زیرحوضه نمونه شامل اقدامات زیستی و مدیریتی بود. اقدامات زیستی شامل بذرکاری گونه‌های مقاوم به خشکی مانند Astragalus gossypinus و Bromus tomentellus و اقدامات مدیریتی شامل قرق کامل و مهار چرای دام بود. به‌منظور بررسی تأثیر احیای حوزه آبخیز، جهت شیب و شاخص TWI بر ویژگی‌های هیدرولوژیکی خاک، از روش‌های آماری شامل تحلیل واریانس (ANOVA) بر اساس طرح آشیانه‌­ای و همبستگی پیرسون با استفاده از نرم‌افزارهای SAS و R استفاده شد. این تحلیل‌ها تفاوت‌های معنی‌دار بین گروه‌ها و روابط بین متغیرهای خاک را مشخص کردند.
 
نتایج و بحث
نتایج این پژوهش نشان داد که اقدامات احیایی و تفاوت‌های توپوگرافی به‌طور معناداری ویژگی‌های خاک را بهبود بخشیده‌اند. زیرحوضه نمونه در مقایسه با زیرحوضه شاهد، جرم مخصوص ظاهری کمتر (0.01± 1.18 در مقابل 0.02± 1.31 گرم بر سانتی‌متر مکعب)، درصد خاک لخت کمتر (1.38 ± 13.06 درصد در مقابل 1.61± 32.5 درصد)، و سرعت نفوذ بیشتر (1.92 ± 28.44 در مقابل 0.82 ± 19.78 میلی‌متر بر ساعت) داشت (p < 0.05). همچنین، تخلخل (0.73 ± 51.13 درصد در مقابل 1.14± 41.66 درصد) و پایداری خاکدانه (0.52 ± 1.96 در مقابل 0.39± 1.52 میلی‌متر) در حوضه نمونه به‌طور معنی‌داری افزایش یافت. ماده آلی نیز در زیرحوضه نمونه (0.62±2.15 درصد) نسبت به شاهد (0.38±1.5 درصد) بیشتر بود (P<0.05). جهت دامنه نیز تأثیر معنی‌داری بر برخی از ویژگی‌های خاک داشت؛ دامنه‌های شمالی در مقایسه با دامنه‌های جنوبی، پایداری خاکدانه بیشتر (0.33 ± 2.14 در مقابل 0.29 ± 1.35 میلی‌متر)، ماده آلی بالاتر (0.64 ± 2.13 درصد در مقابل 0.38 ± 1.32 درصد) و تاج پوشش گیاهی متراکم‌تری (3.18 ± 60.39 درصد در مقابل 48.17 ± 3.2 درصد) نشان دادند (p < 0.05). بررسی طبقات مختلف TWI نیز نشان داد که طبقه TWI3 بالاترین مقادیر ماده آلی (0.61 ± 1.45 درصد) و پایداری خاکدانه (0.52 ± 1.96 میلی‌متر) را دارا است. تحلیل مؤلفه‌های اصلی (PCA) نشان داد که TWI و پوشش گیاهی با ماده آلی، پایداری خاکدانه و نفوذپذیری هم‌جهت هستند (P<0.05). در حالی که خاک لخت و جرم مخصوص ظاهری با نقاط دامنه‌های جنوبی و TWI پایین مرتبط‌اند. دامنه‌های شمالی و طبقات TWI بالا بیشترین بهبود را در ماده آلی و پوشش گیاهی نشان دادند. این یافته‌ها نقش کلیدی جهت دامنه، TWI و اقدامات زیستی در بهبود کیفیت خاک و پوشش گیاهی در مناطق نیمه‌خشک را تأیید می‌کند.
 
نتیجه‌گیری
پژوهش حاضر نشان داد که اقدامات احیایی به‌طور کلی منجر به بهبود کیفیت خاک می‌شوند، اما میزان اثربخشی این اقدامات به‌طور قابل توجهی تحت تأثیر ویژگی‌های توپوگرافی، به‌ویژه جهت دامنه و شاخص رطوبت توپوگرافی (TWI) قرار دارد. دامنه‌های شمالی و نقاط با TWI بالا، بیشترین میزان بهبود را در ویژگی‌های خاک، به‌ویژه ماده آلی و پایداری خاکدانه نشان دادند. یافته‌های این پژوهش، اهمیت در نظر گرفتن ویژگی‌های توپوگرافی در برنامه‌ریزی و اجرای اقدامات احیایی را نشان می‌دهد و پیشنهاد می‌شود که در مطالعات آینده، تمرکز بیشتری بر بررسی عوامل مؤثر بر کاهش برخی ویژگی‌ها و اثرات بلندمدت اقدامات احیایی صورت گیرد.

کلیدواژه‌ها

• اقدامات آبخیزداری
• جهت دامنه
• شاخص رطوبت توپوگرافی
• مناطق کوهستانی
• ویژگی‌های هیدرولوژیکی خاک

عنوان مقاله [English]

Comparison of the effects of some topographic factors and reclamation measures on soil hydrological conditions

نویسندگان [English]

• Saeedreza Moazeni Noghondar ¹
• Ali Salajeghe ²
• Shahram Khalighi Sigaroudi ³
• Ali Golkarian ⁴

¹ Ph.D. student, Department of reclamation of Arid and Mountainous Region, Faculty of Natural Resources, University of Tehran, Iran

² Professor of the Department of reclamation of Arid and Mountainous Region, Faculty of Natural Resources, University of Tehran, Iran

³ Associate Professor, Department of reclamation of Arid and Mountainous Region, Faculty of Natural Resources, University of Tehran, Iran

⁴ Associate Professor, Faculty of Natural Resources and Environment, Ferdowsi University, Mashhad, Iran

چکیده [English]

Introduction
Mountainous regions, as the most sensitive and vital ecosystems, play a crucial role in providing fresh water, regulating climate, and preserving biodiversity. However, these areas are vulnerable to soil erosion, natural resource degradation, and climate change. Sustainable water and soil management in mountainous regions is particularly important, as soil quality is directly linked to essential ecosystem services. Natural factors such as slope and aspect influence the distribution of organic matter, soil aggregate stability, and water infiltration, while human activities like uncontrolled pasture exploitation, overgrazing, vegetation destruction, and land use changes contribute to soil degradation, reduced infiltration, and severe erosion. Management practices, including watershed structures and planting native species, can enhance soil water and nutrient retention, improving its physical and chemical properties. Paired watersheds serve as natural laboratories for monitoring and evaluating changes in soil, water, and ecosystem quality under the influence of human activities and climatic conditions. This study aims to investigate the impact of topographic variables, specifically slope aspect and the topographic wetness index (TWI), on the effectiveness of restoration measures in enhancing the physical and chemical properties of soil.
 
Materials and methods
This study was conducted in the paired watershed of Gonbad, located in Hamedan province, Iran. The area comprises two sub-watersheds: one subjected to watershed management operations (treated sub-watershed) and the other without such activities (control sub-watershed). To assess the effect of topography on soil properties, soil sampling was performed at various points in both the control and treated areas, based on two key topographic factors: slope aspect and TWI. For slope aspect analysis, three points were selected on north-facing slopes and three on south-facing slopes within each sub-basin. The TWI was calculated using the relevant equation, and each sub-basin was divided into three zones with varying moisture conditions (low, medium, and high TWI). Soil samples were collected at the end of the growing season from a depth of 0-15 cm while maintaining the soil structure. With three replicates, a total of 36 sampling points were established. Soil physical and chemical properties, including permeability, texture, porosity, aggregate stability, organic matter, pH, electrical conductivity, water holding capacity, and surface cover components, were measured. Restoration measures in the treated sub-watershed included biological measures (seeding of drought-resistant species such as Astragalus gossypinus and Bromus tomentellus) and managerial measures (complete grazing exclusion). To analyze the effects of restoration measures, slope aspect, and TWI on soil hydrological properties, statistical methods including analysis of variance (ANOVA) based on a nested design, and Pearson correlation were employed using SAS and R software.
 
Results and discussion
The findings demonstrated that restoration measures and topographic variations significantly improved soil properties. Comparison of the treated and control watersheds using the t-test revealed that the treated watershed exhibited lower bulk density (1.18±0.01 vs. 1.31±0.02 g/cm³), reduced bare soil percentage (13.06±1.38% vs. 32.5±1.61%), and higher steady-state infiltration rate (28.44±1.92 vs. 19.78±0.82 mm/h) (P<0.05). Additionally, soil porosity (51.13±0.73% vs. 41.66±1.14%) and aggregate stability (1.96±0.52 vs. 1.52±0.39 mm) were significantly greater in the treated watershed (P<0.05). Organic matter content was also higher in the treated watershed (2.15±0.62% vs. 1.5±0.38%) (P<0.05), indicating the positive influence of restoration on soil quality and erosion control. Slope aspect significantly affected certain soil properties. The t-test showed that north-facing slopes had greater aggregate stability (2.14±0.33 vs. 1.35±0.29 mm), higher organic matter (2.13±0.64% vs. 1.32±0.38%), and denser vegetation cover (60.39±3.18% vs. 48.17±3.2%) compared to south-facing slopes (P<0.05). These differences are linked to improved moisture conditions on north-facing slopes due to reduced solar radiation and denser vegetation, enhancing organic matter retention and erosion resistance. Analysis of TWI classes using ANOVA indicated that the TWI3 class had the highest organic matter (1.45±0.61%) and aggregate stability (1.96±0.52 mm), though these differences were not statistically significant (P>0.05). However, soil texture varied significantly with TWI: clay increased from 42.75±3.12% (TWI1) to 46.12±3.05% (TWI3), silt from 28.43±2.76% to 31.66±2.78%, and sand decreased from 28.82±5.53% to 22.22±5.68% (P<0.05), suggesting finer particle deposition in higher TWI zones (lower slopes). Principal component analysis (PCA) showed that TWI and vegetation were correlated with organic matter, aggregate stability, and infiltration (P<0.05), while bare soil and bulk density were associated with southern slopes and low TWI. Northern slopes and high TWI classes showed the greatest improvement in organic matter and vegetation. These findings confirm the key role of slope orientation, TWI, and biological interventions in improving soil and vegetation quality in semi-arid regions.
 
Conclusion
The present research showed that restoration measures generally lead to improved soil quality, but the effectiveness of these measures is significantly affected by topographic characteristics, especially slope aspect and topographic wetness index (TWI). North-facing slopes and points with high TWI showed the greatest improvement in soil parameters, especially organic matter and soil aggregate stability. The findings of this research show the importance of considering topographic characteristics in planning and implementing restoration measures, and it is suggested that in future studies, more focus should be on investigating the factors affecting the reduction of some parameters and the long-term effects of restoration measures.

کلیدواژه‌ها [English]

• Mountainous regions
• Slope aspect
• Soil hydrological properties
• Topographic wetness index
• Watershed management measures