ارزیابی نفوذپذیری خاک در عرصه بهره‌برداری‌شده جنگل کوهستانی طبیعی (بررسی موردی: جنگل شاندرمن- استان گیلان)

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

1 دانش‌آموخته دکتری، گروه جنگلداری، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه گیلان، صومعه سرا، ایران

2 استاد، گروه جنگلداری، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه گیلان، صومعه سرا، ایران

3 دانشجوی کارشناسی، گروه جنگلداری، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه گیلان، صومعه سرا، ایران

4 کارشناسی ارشد، گروه مرتع و آبخیزداری، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، ایران

چکیده

مقدمه و هدف: بهره‌برداری از جنگل، به‌ویژه استفاده از ماشین‌آلات سنگین، می‌تواند تعادل خاک را بر هم زده و موجب تغییرات فیزیکی و شیمیایی در آن شود. تردد ماشین‌آلات چوبکشی و عملیات بهره‌برداری، با افزایش جرم‌ مخصوص‌ ظاهری، کاهش تخلخل و کاهش نفوذ‌پذیری خاک همراه است که در نهایت منجر به افزایش رواناب سطحی، کاهش رطوبت خاک و تشدید فرسایش می‌شود. این تغییرات می‌توانند بر حاصلخیزی خاک و رشد گیاهان نیز تأثیر منفی داشته باشند. با توجه به اهمیت نفوذپذیری خاک در حفظ پایداری بوم­سازگان‌های جنگلی، این پژوهش با هدف بررسی تأثیر فعالیت‌های بهره‌برداری بر نفودپذیری خاک و برخی ویژگی‌های فیزیکی آن در مسیرهای چوبکشی، دپو، محوطۀ قطع و مقایسۀ آن با ناحیه شاهد انجام شد.
مواد و روش‌ها: این پژوهش در سال 1398 در پارسل هفت جنگل‌های سری 11 سیاهکش، حوزه آبخیز شاندرمن، که در اجرای طرح تبدیل طی سال‌های 1372-1364 تحت برداشت گسترده و قطع یکسره در مقیاس وسیع قرار گرفته بود، انجام شد. در این پژوهش، چهار تیمار، شامل دپو، مسیر چوبکشی، محوطۀ قطع و شاهد (جنگل طبیعی) بررسی شد. در هر تیمار، سه نقطه به‌صورت تصادفی انتخاب شد و آزمایش نفوذ آب با استفاده از نفوذسنج رینگ دوبل انجام شد. ارتفاع ستون آب در فواصل زمانی مختلف ثبت شد. آزمایش‌ها تا زمانی ادامه یافت که نرخ کاهش نفوذ طی یک ساعت به کمتر از 10 درصد برسد. برخی ویژگی‌های فیزیکی خاک مانند جرم ‌مخصوص‌ ظاهری و درصد کربن آلی، از عمق صفر تا 10 سانتی‌متری نمونه‌برداری شده و با روش‌های استاندارد اندازه‌گیری شدند. جرم‌ مخصوص ‌ظاهری (BD) به روش کلوخه، مقدار کربن آلی به روش والکی و بلک، و بافت خاک به روش هیدرومتری بایکاس تعیین شد. داده‌ها در Excel 2016 پردازش و در SPSS تحلیل آماری شدند. همچنین، متغیرهای مؤثر بر نرخ نفوذپذیری با استفاده از روش رگرسیون گام ‌به گام شناسایی شدند. میانگین مقدار نفوذ تجمعی در زمان‌های مختلف برای چهار تیمار محاسبه و منحنی‌های نفوذ آنها ترسیم شد. علاوه بر این، در نرم‌افزار PC-ORD 5 ارتباط بین ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی خاک (درصد کربن آلی، جرم ‌مخصوص‌ ظاهری، درصد تخلخل و درصد شن، رس و سیلت) با تیمارهای پژوهش، بررسی شد و الگوی پراکنش مکانی نمونه‌ها برای تعیین اندازه تشابه در واکنش به ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی مورد ارزیابی قرار گرفت.
یافته‌ها: بین تیمارهای مختلف از نظر بافت خاک اختلاف معنی‌داری در سطح یک درصد وجود داشت؛ به‌طوری ‌که بیشترین و کمترین درصد رس به­‌ترتیب در تیمار شاهد (66/26 درصد) و تیمار مسیر چوبکشی (57/8 درصد) مشاهده شد. بیشترین میانگین درصد کربن آلی (06/4) متعلق به منطقۀ شاهد و کمترین میانگین درصد کربن آلی 18/1 متعلق به مسیر چوبکشی بود. همچنین نتایج تجزیه واریانس و مقایسۀ میانگین داده‌های مربوط به جرم ‌مخصوص ‌ظاهری و تخلخل خاک نشان داد که اختلاف معنی‌داری بین تیمارهای مورد بررسی وجود دارد و میانگین جرم‌ مخصوص ‌ظاهری خاک در تیمار دپو به‌طور معنی‌داری (در حد 95 درصد) بیش از منطقه شاهد بود. در تعیین مهم‌ترین عوامل فیزیکی- شیمیایی خاک مؤثر بر نرخ نفوذپذیری با استفاده از تحلیل رگرسیون گام‌ به‌ گام مشخص شد که تنها متغیر جرم‌ مخصوص ‌ظاهری وارد معادله رگرسیونی شد ( 00.0 =sig). کمترین میانگین نفوذ‌پذیری تجمعی (7/38 میلی‌متر) در دپو بود. در بررسی روند نفوذپذیری تجمعی خاک تفاوت معنی‌داری بین مقدار نرخ نفوذ‌پذیری خاک در تیمارهای مورد بررسی با شاهد (جنگل طبیعی) مشاهده شد و نمودار روند نفوذپذیری تجمعی خاک نشان داد که کمترین مقدار میانگین نفوذپذیری تجمعی در دپو (4/2 میلی‌متر) و بیشترین میانگین نفوذپذیری تجمعی در تیمار شاهد (57 میلی‌متر) اتفاق افتاده است.
نتیجه‌گیری: نتایج این پژوهش نشان داد که، بهره‌برداری از جنگل و تردد ماشین‌آلات منجر به تغییرات قابل توجهی در ویژگی‌های فیزیکی خاک، به‌ویژه کاهش نفوذ‌پذیری آن می‌شود. بیشترین کاهش نفوذ‌پذیری خاک در مناطق دپو و مسیر چوبکشی مشاهده شد که ناشی از فشردگی خاک بر اثر تردد ماشین‌آلات و فشار چوب‌آلات بود. در مقابل، جنگل طبیعی بیشترین نفوذ‌پذیری را نشان داد که به دلیل تخلخل بالاتر خاک در این منطقه است. بر این اساس برای کاهش اثرهای منفی بهره‌برداری جنگل بر ویژگی‌های خاک، اتخاذ روش‌های مدیریتی مناسب، مانند  محدودسازی تردد ماشین‌آلات و استفاده از روش‌های احیای خاک، توصیه می‌شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Assessment of soil permeability in an exploited area of natural mountain forest (case study: Shanderman Forest - Guilan Province)

نویسندگان [English]

  • pejman Dalir Kouhi 1
  • Ramin Naghdi 2
  • Haniye Alinejad 3
  • Sanaz Jafari Haftkhani 4
1 Ph.D. Graduate, Department of Forestry, Faculty of Natural Resources, University of Guilan, Someh-Sara, Iran
2 Professor, Department of Forestry, Faculty of Natural Resources, University of Guilan, Someh-Sara, Iran
3 Undergraduate Student, Department of Forestry, Faculty of Natural Resources, University of Guilan, Someh-Sara, Iran
4 M.Sc. in Rangeland and Watershed Management, Faculty of Agriculture and Natural Resources, University of Tehran, Iran
چکیده [English]

Background and Objective: Forest harvesting, particularly through the use of heavy machinery, can disrupt soil balance and cause significant physical and chemical alterations. Skidding operations and logging activities often lead to increased bulk density, reduced porosity, and decreased soil permeability, which ultimately result in higher surface runoff, reduced soil moisture, and accelerated erosion. These changes may also negatively affect soil fertility and plant growth. Given the importance of soil permeability in maintaining forest ecosystem stability, this study aimed to assess the effects of logging activities on soil infiltration and selected physical properties across skid trails, log landings, felling sites, and a control area.
Material and Methods: The research was conducted in 2019 in Parcel 7 of the Siyahkesh forests (Series 11) within the Shanderman watershed, which underwent large-scale clear-cutting between 1985 and 1993. Four treatments were examined: log landing, skid trail, felling site, and control (natural forest). In each treatment, three random sampling points were selected, and water infiltration tests were performed using a double-ring infiltrometer. Water column height was recorded at specified intervals until the infiltration rate decline stabilized below 10% over one hour. Soil samples (0–10 cm depth) were collected to determine bulk density, organic carbon content, and texture. Bulk density was measured using the clod method, organic carbon by the Walkley–Black method, and soil texture by Bouyoucos hydrometry. Data were processed in Excel 2016 and statistically analyzed in SPSS, while stepwise regression was used to identify variables influencing infiltration rates. Additionally, cumulative infiltration means were calculated for each treatment, and infiltration curves were drawn. Using PC-ORD 5, relationships between soil physical and chemical properties (organic carbon, bulk density, porosity, sand, silt, and clay content) and treatments were analyzed to evaluate spatial patterns and similarity responses.
Results: Significant differences (p < 0.01) in soil texture were observed among treatments. The highest clay content (26.66%) occurred in the control area, while the lowest (8.57%) was recorded in skid trails. The mean organic carbon was highest in the control (4.06%) and lowest in skid trails (1.18%). Analysis of variance revealed significant differences in soil bulk density and porosity across treatments, with log landings exhibiting a significantly higher bulk density compared to the control (p < 0.05). Stepwise regression indicated that bulk density was the only variable significantly affecting infiltration rates (p = 0.00). The lowest cumulative infiltration (38.7 mm) occurred in log landings, while the highest (57 mm) was found in the control. Similarly, infiltration trends showed that log landings had the lowest mean infiltration rate (2.4 mm), whereas the control exhibited the highest (57 mm).
Conclusion: The findings demonstrate that forest harvesting and machinery traffic substantially alter soil physical properties, particularly by reducing infiltration capacity. The most pronounced decline in soil permeability was observed in log landings and skid trails, mainly due to compaction from machinery movement and log pressure. In contrast, natural forest areas maintained the highest infiltration capacity, attributed to greater soil porosity. To mitigate these negative impacts, appropriate management practices such as restricting machinery traffic and adopting soil rehabilitation methods are recommended.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bulk density
  • Depot
  • Double ring method
  • Skidding trail
Behjou, K.; Masarat, F.; Ghanbari, S.; Sasanifar, S. The Effect of Logging Activities on the Soil Characteristics of Islam Forests in Guilan. Journal of Environmental Science and Studies 2024, 9(3), 9158–9147. (In Persian)
Daghestani, M.; Sobhani, H.; Saravi, M.; Mohajer, M. The effect of group selection as a cutting method on soil physical factors. Forest Ecology and Management 2005. (In Persian)
Dalir, P.; Naghdi, N.; Gholami, V.; Tavankar, F.; Latterini, F.; Venanzi, R.; Picchio, R. Risk assessment of runoff generation using artificial neural network and field plots in the area of roads and forest lands. Natural Hazards, 2022, 113, 1451-1469.
Dalir, P.; Naghdi, R.; Gholami, V. Assessing the rice straw effects on the soil erosion rate in forest road cut slope embankments', Caspian Journal of Environmental Sciences, 2021, 19(2), 325-339. (In Persian)
Ezzati, S.; Najafi, A.; Rab, M.; Zenner, E. K., Recovery of soil bulk density, porosity and rutting from ground skidding over a 20-year period after timber harvesting in Iran. Silva Fennica 2012, 46 (4), 521-538.
Ezzati, S.; Najafi, A. Recovery of Soil Bulk Density, Porosity and Rutting from Ground Skidding Over a 20-Year Period after Timber Harvesting in Iran. Silva Fennica 2012, 46 (4), 521–538.
Froehlich, H. A., Soil compaction from low ground-pressure, torsion-suspension logging vehicles on three forest soils. 1978.
Ghazan Shahi, Journal of Soil and Plant Analysis; Javad Ghazan Shahi: 2016; p 312. (In Persian)
Giahparvar Foumani, R.; Naghdi, R.; Nikooy, M.; Mirzaei, M. Visual Assessment of Soil Disturbance Causing Forest Operation by Short Wood and Full Tree Methods in Western Plantations of Guilan. Forest Research and Development 2023, 9 (3), 303–316. (In Persian)
 Gomi, T.; Sidle, R. C.; Noguchi, S.; Negishi, J. N.; Nik, A. R.; Sasaki, S. Sediment and Wood Accumulations in Humid Tropical Headwater Streams: Effects of Logging and Riparian Buffers. Forest Ecology and Management. 2006, 224 (1–2), 166–175.
Greacen, E. L.; Sands, R. Compaction of forest soils. A review. Soil Research 1980, 18 (2), 163-189.
Hartanto, H.; Prabhu, R.; Widayat, A. S.; Asdak, C. Factors affecting runoff and soil erosion: plot-level soil loss monitoring for assessing sustainability of forest management. Forest ecology and management 2003, 180 (1-3), 361-374.
Hashemi, M.;  Nikooy, M.;  Salehi, A.; Naghdi, R., Investigation of soil physical properties 11 years after water-bar construction on skid trail. Forest Research and Development 2021, 7 (2), 169-182. (In Persian)
Herbauts, J.; El Bayad, J.; Gruber, W. Influence of logging traffic on the hydromorphic degradation of acid forest soils developed on loessic loam in middle Belgium. Forest Ecology and Management 1996, 87 (1-3), 193-207.
Jafari, A.; Najafi, A. Recovery of Disturbed Soil Organic Matter over a 10-Year Period after Timber Skidding Operation in Forest. Iranian Journal of Forest and Range Protection Research 2015, 13 (1), 11–19. (In Persian)
Kalra, Y. P.; Maynard, D. G. Soil Sampling and Methods of Analysis; Canadian Society of Soil Science: 1991.
Khoramyzadeh, A.; Jorgholami, M. Environmental Effects of Timber Extraction on Soil Disturbance and Infiltration Rate in Kheyrud Forest. Jornal of Environmental Assessment. 2013, 4 (8), 101–112. (In Persian)
Kohandel, A.; Arzani, H.; Hosseini Tavassol, M. Effect of grazing intensity on soil and vegetation characteristics using Principal components Analysis. Iranian Journal of Range and Desert Research 2010, 17 (4), 518-526. (In Persian)
 Kolka, R.; Smidt, M. Effects of forest road amelioration techniques on soil bulk density, surface runoff, sediment transport, soil moisture and seedling growth. Forest Ecology and Management 2004, 202 (1-3), 313-323.
 Larsson, M.; Eliasson, S. The Influence of Land-Use Change, Root Abundance and Macropores on Saturated Infiltration Rate—A Field Study on Western Java, Indonesia. Hydrol. Hydrology and Earth System Sciences. 2006, 10 (5), 755–763.
 Lotfalian, M.; Parsakhoo, A., Investigation of forest soil disturbance caused by rubber-tired skidder traffic. International Journal of Natural and Engineering Sciences 2009, 3 (1), 01-04.
Matangaran, J. R.; Kobayashi, H. The effect of tractor logging on forest soil compaction and growth of Shorea selanica seedlings in Indonesia. Journal of Forest Research 1999, 4 (1), 13-15.
Naghdi, R.; Maleki, S.; Abdi, E.; Mousavi, R.; Nikooy, M. Assessing the effect of Alnus roots on hillslope stability in order to use in soil bioengineering. Journal of forest Science 2013, 59 (11), 417-423.
Najafi, A.; Sobhani, H.; Saeed, A.; Makhdom, M.; Mohajer, M. M. Planning and assessment of alternative forest road and skidding networks. Croatian Journal of Forest Engineering. 2008, 29 (1), 63-73.
Neris, J.; Jiménez, C.; Fuentes, J.; Morillas, G.; Tejedor, M. Vegetation and land-use effects on soil properties and water infiltration of Andisols in Tenerife (Canary Islands, Spain). Catena 2012, 98, 55-62.
Nugent, C.;  Kanali, C.;  Owende, P. M.;  Nieuwenhuis, M.; Ward, S., Characteristic site disturbance due to harvesting and extraction machinery traffic on sensitive forest sites with peat soils. Forest Ecology and Management 2003, 180 (1-3), 85-98.
Perry, T. O. Soil Compaction and Loblolly Pine Growth. Tree Plant. Notes 1964, 15 (4), 9–67.
Rab, M. Recovery of soil physical properties from compaction and soil profile disturbance caused by logging of native forest in Victorian Central Highlands, Australia. Forest ecology and management 2004, 191 (1-3), 329-340.
Rahimi, H. Soil Mechanics; Danesh and Fan Publications: 2014; p 624. (In Persian)
Sadeghi, A.; Salehi, A.; Pourbabaei, H.; Kooch, Y. Investigation of changes in soil properties in pure and mixed beech type in the western forests of Guilan. Forest Research and Development 2024, 9(4), 571-591. (In Persian)
Salehi, A.; Taheri Abkenar, K. T.; Basiri, R., Study of the recovery soil physical properties and establishment of natural regeneration in skid trails (case study: Nav-E Asalem forests). Iranian Journal of Forest. 2012. (In Persian)
Shahriari, A.;  Moghadami Rad, M.; Abdie, E., The effects of logging on forest soil (Azad Shahr Kuhmian Forest). Journal of Plant Ecosystem Conservation 2019, 6 (13), 233-250. (In Persian)
 Shaw, J. N.; Fesha, D.; Wayne, R. C.; Wesley, W.; Feng, Y.; Lee Norfleet, M. Soil Change in Southeastern USA Ultisols. In Proceedings of the 18th World Congress of Soil Science, Philadelphia, PA, USA, July 9–15, 2006.
Shestak, C.; Busse, M. Compaction alters physical but not biological indices of soil health. Soil Science Society of America Journal. 2005, 69 (1), 236-246.
Solgi, A.; Najafi, A. The impacts of ground-based logging equipment on forest soil. Journal of Forest Science. 2014
Startsev, A.; McNabb, D. Effects of skidding on forest soil infiltration in west-central Alberta. Canadian Journal of Soil Science 2000, 80 (4), 617-624.
 Tavnkar, F.; Mjnonian, B., Logging Damages on Forest Regeneration and Soil Compaction Using Ground-based System (Case Study: Asalem Forest Aarea, Guilan). Isfahan University of Technology-Journal of Crop Production and Processing 2009, 13 (48), 449-456. (In Persian)
 US Department of Agriculture Natural Resources and Conservation Service. Website. 2005. Available at: https://www.nrcs.usda.gov/ (accessed February 20, 2025).
 Zenner, E. K.;  Fauskee, J. T.;  Berger, A. L.; Puettmann, K. J., Impacts of skidding traffic intensity on soil disturbance, soil recovery, and aspen regeneration in north central Minnesota. Northern Journal of Applied Forestry 2007, 24 (3), 177-183.
Zuazo, V. c. H. D.; Pleguezuelo, C. R. o. R. Soil-erosion and runoff prevention by plant covers: a review. Sustainable agriculture 2009, 785-811.