اثر اجرای شیوه جنگل‌شناسی تک‌گزینی بر شاخص کیفیت خاک در جنگل‌های هیرکانی

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

1 دانش‌آموخته دکتری جنگل‌شناسی و اکولوژی جنگل، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران

2 استاد، گروه علوم و مهندسی جنگل، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران

3 استادیار، گروه علوم و مهندسی جنگل، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران

چکیده

مقدمه و هدف: جنگل‌های هیرکانی به‌عنوان یکی از مهم‌ترین جنگل‌های پهن‌برگ نیمکره شمالی، با قدمتی بیش از چند میلیون سال، نقشی اساسی در حفاظت از تنوع زیستی، تنظیم چرخه‌های زیست‌محیطی و ارائه خدمات بوم­شناسی ایفا می‌کنند. این جنگل‌ها به‌ویژه در ناحیه شرقی خود، در معرض فشارهای ناشی از بهره‌برداری ناپایدار، تغییرات اقلیمی و کاهش کیفیت زیستگاه‌ها قرار دارند. در میان اجزای مختلف بوم­سازگان جنگل، خاک به‌عنوان بستر اصلی چرخه‌های زیستی و شیمیایی، جایگاه ویژه‌ای در پایداری بوم­شناختی آن دارد. کیفیت خاک به‌عنوان شاخصی ترکیبی، توانایی خاک در انجام عملکردهای زیستی، شیمیایی و فیزیکی را نشان می دهد. از این‌رو، ارزیابی شاخص کیفیت خاک (Soil Quality Index - SQI) می‌تواند ابزار مؤثری برای تحلیل تأثیر اقدامات مدیریتی بر پایداری جنگل باشد. هدف اصلی این پژوهش بررسی اثر اجرای شیوه جنگل‌شناسی تک‌گزینی بر ویژگی‌های فیزیکی، شیمیایی، زیستی خاک و شاخص کیفیت خاک در بخش شرقی جنگل‌های هیرکانی بود.
مواد و روش‌ها: این پژوهش در منطقه جنگلی خلیل‌شهر واقع در شرق استان مازندران انجام شد. این منطقه شامل دو منطقه مدیریتی مجزا است: 1) منطقه تحت مدیریت به شیوه تک‌گزینی (Single-tree Selection) و 2) منطقه شاهد، فاقد بهره‌برداری. نمونه‌برداری خاک از عمق صفر تا ۱۰ سانتی‌متر در قالب طرح کاملاً تصادفی در هر منطقه انجام شد. در مجموع 20 نمونه خاک از هر منطقه برداشت شد. ویژگی‌های فیزیکی خاک شامل بافت (درصد شن، سیلت و رس) و چگالی ظاهری (BD)، ویژگی‌های شیمیایی شامل pH، هدایت الکتریکی (EC)، نیتروژن کل (TN)، فسفر (P)، پتاسیم (K) و کربن آلی (OC)، و ویژگی‌های زیستی شامل نرخ تولید آمونیوم ( ) و نیترات ( ) با استفاده از روش‌های استاندارد آزمایشگاهی اندازه‌گیری شدند. برای تعیین شاخص کیفیت خاک، از تحلیل مؤلفه‌های اصلی (PCA) برای انتخاب شاخص‌های کلیدی استفاده شد و سپس شاخص کیفیت خاک با روش شاخص‌سازی وزن‌دار محاسبه شد. برای شناسایی مهم‌ترین عوامل مؤثر بر SQI، مدل خطی تعمیم‌یافته (GLM) اجرا شد.
یافته‌ها: نتایج نشان داد که مدیریت جنگل به شیوه تک‌گزینی موجب بهبود معنی­دار برخی از ویژگی‌های خاک نسبت به منطقه شاهد شده است. به‌طور ویژه، در منطقه مدیریت‌شده، درصد شن، رطوبت حجمی، pH، هدایت الکتریکی، درصد نیتروژن کل، فسفر، پتاسیم و نرخ تولید آمونیوم به‌طور معنی‌داری افزایش یافته‌اند (سطح معنی‌داری P<0.05). در مقابل، تفاوت معنی‌داری در چگالی ظاهری، کربن آلی و نرخ تولید نیترات بین دو منطقه مشاهده نشد. تجزیه مؤلفه‌های اصلی نشان داد که دو مؤلفه اول بیش از ۶۷ درصد واریانس کل را تبیین می‌کنند؛ مؤلفه اول نمایانگر ویژگی‌های حاصلخیزی و کیفیت فیزیکی-شیمیایی خاک بود و مؤلفه دوم به فرآیندهای مرتبط با چرخه نیتروژن مربوط می‌شد. شاخص کیفیت خاک (SQI) در منطقه تحت مدیریت به شیوه تک­گزینی، به‌طور معنی­داری بیشتر از منطقه شاهد بود. نتایج مدل خطی تعمیم‌یافته نشان داد که سه متغیر پتاسیم، چگالی ظاهری و فسفر، به‌ترتیب بیشترین نقش را در تبیین تغییرات SQI داشتند و مدل با ضریب تبیین 87/0 عملکرد مطلوبی در پیش‌بینی شاخص کیفیت خاک داشت.
نتیجه‌گیری: یافته‌های این پژوهش نشان می‌دهد که مدیریت جنگل به شیوه تک‌گزینی، اگر به‌درستی و بر اساس اصول بهره‌برداری پایدار اجرا شود، می‌تواند تأثیرات مثبتی بر ویژگی‌های مهم خاک و در نهایت بر شاخص کیفیت خاک داشته باشد. این امر بیانگر آن است که بهره‌برداری‌های مبتنی بر انتخاب تک­درخت، برخلاف برداشت‌های گسترده، توانایی حفظ و حتی بهبود عملکرد زیستی و شیمیایی خاک را دارند. از آنجا که خاک عامل کلیدی در پایداری و احیای بوم­سازگان جنگلی است، مدیریت صحیح آن می‌تواند در حفظ سلامت این بوم­سازگان نقش مؤثری ایفا کند. پیشنهاد می‌شود در پژوهش­های آینده، اثرهای بلندمدت این نوع مدیریت بر پویایی کربن و نیتروژن خاک، تأثیر ترکیب گونه‌ای پوشش گیاهی، و نقش تنوع زیستی ریزجانداران خاک بررسی شود. همچنین، بهره‌گیری از مدل‌های پیشرفته برای پیش‌بینی بهتر تغییرات شاخص کیفیت خاک در سطوح مختلف مکانی و زمانی می‌تواند به توسعه راهکارهای مدیریتی دقیق‌تر کمک کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Effect of single-selection method on soil quality index in the Hyrcanian forests

نویسندگان [English]

  • Shohreh Kazemi 1
  • Seyed Mohammad Hojjati 2
  • Mahya Tafazoli 3
  • Masoumeh Izadi 1
1 PhD in Forest Soil Science, Department of Silviculture and Forest Ecology, Faculty of Forest Sciences, Gorgan ‎University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, I. R. Iran
2 Professor, Department of Forest Sciences and Engineering, Faculty of Natural Resources, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University, Sari, I. R. Iran
3 Assistant Professor, Department of Forest Sciences and Engineering, Faculty of Natural Resources, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University, Sari, I. R. Iran
چکیده [English]

Background and Objective: Hyrcanian forests, recognized as one of the most important temperate broadleaf forests of the Northern Hemisphere with a history spanning several million years, play a fundamental role in biodiversity conservation, regulation of ecological cycles, and the provision of ecosystem services. These forests, particularly in their eastern regions, are increasingly exposed to pressures arising from unsustainable harvesting, climate change, and habitat degradation. Among the various components of forest ecosystems, soil serves as the primary substrate for biological and chemical cycles and is therefore central to ecological stability. Soil quality, as an integrated indicator, reflects the soil’s capacity to perform biological, chemical, and physical functions. Accordingly, assessment of the Soil Quality Index (SQI) can provide an effective tool for evaluating the impacts of forest management practices on ecosystem sustainability. The main objective of this study was to investigate the effects of single-tree selection silviculture on soil physical, chemical, and biological properties, as well as on the soil quality index, in the eastern Hyrcanian forests.
Material and Methods: This study was conducted in the Khalilshahr forest area located in eastern Mazandaran Province, northern Iran. The study area comprised two distinct management zones: (1) a forest managed under the single-tree selection system and (2) an unmanaged control area without harvesting. Soil sampling was carried out from the 0–10 cm depth using a completely randomized design in each zone, with a total of 20 soil samples collected per zone. Physical soil properties included texture (percentages of sand, silt, and clay) and bulk density (BD). Chemical properties included pH, electrical conductivity (EC), total nitrogen (TN), phosphorus (P), potassium (K), and organic carbon (OC). Biological properties included ammonium (NH₄⁺) and nitrate (NO₃⁻) production rates, all measured using standard laboratory methods. Principal component analysis (PCA) was applied to identify key indicators, and the soil quality index was calculated using a weighted scoring approach. A generalized linear model (GLM) was employed to determine the main factors influencing SQI.
Results: The results indicated that single-tree selection management significantly improved several soil properties compared with the control area. Specifically, sand content, volumetric soil moisture, pH, EC, total nitrogen, phosphorus, potassium, and ammonium production rate were significantly higher in the managed area (P < 0.05). In contrast, no significant differences were observed in bulk density, organic carbon, or nitrate production rate between the two zones. PCA results showed that the first two components explained more than 67% of the total variance; the first component was associated with soil fertility and physico-chemical quality, while the second component was related to nitrogen cycling processes. The soil quality index was significantly higher in the single-tree selection area than in the control. GLM results revealed that potassium, bulk density, and phosphorus were the most influential variables explaining SQI variation, and the model demonstrated strong predictive performance with a coefficient of determination of 0.87.
Conclusion: The findings demonstrate that single-tree selection forest management, when properly implemented in accordance with sustainable harvesting principles, can positively influence key soil properties and ultimately enhance soil quality. This suggests that selective, tree-based harvesting systems, unlike large-scale clear-cutting, have the capacity to maintain or even improve soil biological and chemical functioning. Given the critical role of soil in forest ecosystem stability and restoration, appropriate soil-focused management can substantially contribute to ecosystem health. Future studies are recommended to investigate the long-term effects of this management approach on soil carbon and nitrogen dynamics, the influence of vegetation species composition, and the role of soil microbial biodiversity. Moreover, the application of advanced modeling approaches to better predict spatial and temporal changes in soil quality indices could support the development of more precise and effective forest management strategies.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Soil biological properties
  • Soil fertility
  • Soil quality
  • Silvicultural method
  • Hyrcanian forests

مراجع

Amolikondori, A.; Abrari Vajari, K.; Feizian, M.; Di Iorio, A., Influences of forest gaps on soil physico-chemical and biological properties in an oriental beech (Fagus orientalis L.) stand of hyrcanian Forest, North of Iran. iForest-Biogeosciences and Forestry 2020, 13 (2), 124.
Andrews, S. S.; Karlen, D. L.; Mitchell, J. P., A comparison of soil quality indexing methods for vegetable production systems in northern california. Agriculture, Ecosystems & Environment 2002, 90 (1), 25–45.
Arredondo-Ruiz, F.; García-Montero, L.; Valverde-Asenjo, I.; Menta, C., Soil-quality indicators for forest management. Quantitative Techniques in Participatory Forest Management 2014
Asplund, J.; Nordén, J.; Kjønaas, O. J.; Madsen, R. L.; Lunde, L. F.; Birkemoe, T.; Ronold, E. K.; Norkute, M.; Jansson, K. U.; Karlsen, D. P.; Sverdrup-Thygeson, A., Long term effects of forest management on forest structure and dead wood in mature boreal forests. Forest Ecology and Management 2024, 572, 122315.
 Augusto, L.; Ranger, J.; Binkley, D.; Rothe, A., Impact of several common tree species of european temperate forests on soil fertility. Annals of Forest Science 2002, 59 (3), 233–253.
  Balabandi, H.; Abrari Vajari, K.; Shabanian, N., Effects of different silvicultural systems on oil characteristic indices of beech (Fagus orientalis L.) forest stands (Case Study: Alandan forest, Mazanrdan). Journal of Plant Ecosystem Conservation 2024, 12 (24), 136–150.
 Battles, J. J.; Shlisky, A. J.; Barrett, R. H.; Heald, R. C.; Allen-Diaz, B. H., The effects of forest management on plant species diversity in a sierran conifer forest. Forest Ecology and Management 2001, 146 (1–3), 211–222.
  Binkley, D.; Giardina, C.; Bashkin, M. A., Soil Phosphorus Pools and Supply under the Influence of Eucalyptus saligna and Nitrogen-Fixing Albizia facaltaria. Forest Ecology and Management 2000, 128 (3), 241–247.
  Binkley, D.; Hart, S. C., The components of nitrogen availability assessments in forest soils. Advances in Soil Science 1989, 10, 57–112.
 Burger, J. A.; Kelting, D. L., Using soil quality indicators to assess forest stand management. Forest Ecology and Management 1999, 122 (1–2), 155–166.
 Chandra, L. R.; Gupta, S.; Pande, V.; Singh, N., Impact of forest vegetation on soil characteristics: a correlation between soil biological and physico-chemical properties. 3 Biotech 2016, 6, 1–12.
 Collado, E.; Piqué, M.; Coello, J.; de-Dios-García, J.; Fuentes, C.; Coll, L., Close-to-nature management effects on tree growth and soil moisture in mediterranean mixed forests. Forest Ecology and Management 2023, 549, 121457.
Demir, M.; Makineci, E.; Yilmaz, E., Investigation of timber harvesting impacts on herbaceous cover, forest floor and surface soil properties on skid road in an Oak (Quercus petrea L.) stand. Building and Environment 2007, 42 (3), 1194–1199.
 Dorich, R. A.; Nelson, D. W., Direct colorimetric measurement of ammonium in potassium chloride extracts of soils. Soil Science Society of America Journal 1983, 47 (4), 833–836.
  Duguid, M. C.; Ashton, M. S., A Meta-Analysis of the effect of forest management for timber on understory plant species diversity in temperate forests. Forest Ecology and Management 2013, 303, 81–90.
 Durán, J.; Rodríguez, A.; Fernández-Palacios, J. M.; Gallardo, A., Changes in net n mineralization rates and soil n and p pools in a pine forest wildfire chronosequence. Biology and Fertility of Soils 2009, 45, 781–788.
 Elliot, W. J.; Page-Dumroese, D.; Robichaud, P. R., The effects of forest management on erosion and soil productivity. Soil Quality and Soil Erosion 2018, 195–208.
Fisher, K.A., Yarwood, S.A. and James, B.R., Soil urease activity and bacterial ureC gene copy numbers: Effect of pH. Geoderma 2018, 285, 1-8.
Ghazanshahi, J., Soil and plant analysis (translation). Homa Publication, Tehran 2006.
  Goushehgir, Z.; Feghhi, J.; Innes, J. L., Challenges facing the improvement of forest management in the Hyrcanian forests of Iran. Forests 2022, 13 (12), 2180.
  Grigal, D. F., Effects of extensive forest management on soil productivity. Forest Ecology and Management 2000, 138 (1–3), 167–185.
  Hadinezhad, P.; Asadi, H.; Hojati, S. M.; Tafazoli, M.; Yousefpour, R., Factors affecting tree drought stress in Hyrcanian forests. Forest Research and Development 2025, 10 (4), 431–451.
  Hojjati, S. M.; Darzi, A.; Asadi, H.; Tafazoli, M., Changes in soil properties and plant biodiversity after 12 years of rehabilitating livestock farms in the Hyrcanian Forests. Agroforestry Systems 2021, 95, 1493–1503.
  Johnson, D. W.; Curtis, P. S., Effects of forest management on soil c and n storage: meta analysis. Forest Ecology and Management 2001, 140 (2–3), 227–238.
Jolliffe, I. T.; Cadima, J., Principal Component Analysis: a review and recent developments. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 2016, 374 (2065), 20150202.
  Karamdost Marian, B.; Alijanpour, A.; Banj Shafiei, A.; Sasanifar, S., The effect of single-tree selection method on some quantitative and qualitative characteristics and soil of Shafarood forests. Forest Research and Development 2022, 8 (2), 217–233.
 Kazemi, S.; Hojati, S. M.; Fallah, A.; Barari, K., The effect of forest management on soil net mineralization rate in Khalilmahle, Behshahr forest. Ecology of Iranian Forest 2017, 4 (8), 9–18.
  Kazemi, S.; Hojati, S. M.; Fallah, A.; Tafazoli, M., Effects of forest management on soil physical and chemical properties of Khalil-Mahale forest. Forest Research and Development 2015, 1 (2), 167–180.
 Kuhn, M.; Wing, J.; Weston, S.; Williams, A.; Keefer, C.; Engelhardt, A.; Cooper, T.; Mayer, Z.; Kenkel, B.; Team, R. C., Package ‘caret’. The R Journal 2020, 223 (7), 48.
  Lal, R., Degradation and resilience of soils. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B: Biological Sciences 1997, 352 (1356), 997–1010.
 Lê, S.; Josse, J.; Husson, F., FactoMineR: An R Package for Multivariate Analysis. Journal of Statistical Software 2008, 25, 1–18.
 Li, Y.; Zhang, J.; Chang, S. X.; Jiang, P.; Zhou, G.; Fu, S.; Yan, E.; Wu, J.; Lin, L., Long-term intensive management effects on soil organic carbon pools and chemical composition in Moso Bamboo (Phyllostachys pubescens) forests in subtropical China. Forest Ecology and Management 2013, 303, 121–130.
 Lotfi, R.; Hojjati, S. M.; Pourmajidian, M. R.; Espahbodi, K., The effect of silvicultural methods on the structural characteristics of forest stand and soil properties in the intermediate Hyrcanian Beech dorests (Case Study: Alandan-Sari Series Forests). Ecology of Iranian Forests 2022, 10 (20), 11–22.
Maleki, S.; Pilehvar, B.; Mahmoodi, M. A., Assessment of soil quality in different types of forests in north zagros (Case Study: Armardeh Baneh forests). Journal of Natural Environment 2023.
Moslehi, M.; Habashi, H.; Ahmadi, A.; Zoghi, Z., Influence of single-tree selection system on soil total nitrogen and its seasonal changes under the mixed stand of Beech-Hornbeam (Case Study: Shast-Kalateh forest, Gorgan). Journal of Wood and Forest Science and Technology 2020, 27 (2), 1–13.
  Navas, M.; Benito, M.; Rodríguez, I.; Masaguer, A., Effect of five forage legume covers on soil quality at the eastern plains of Venezuela. Applied Soil Ecology 2011, 49, 242–249.
 Noroozi, J.; Talebi, A.; Doostmohammadi, M., The Alborz mountain range. Plant Biogeographyand Vegetation of High Mountains of Central and South-West Asia 2020, 117–149.
 Osman, K. T.; Osman, K. T., Forest Soils. Forest Soils 2013. Springer Netherlands.
 Peña-Claros, M.; Poorter, L.; Alarcón, A.; Blate, G.; Choque, U.; Fredericksen, T. S.; Justiniano, M. J.; Leaño, C.; Licona, J. C.; Pariona, W.; Putz, F. E., Soil effects on forest structure and diversity in a moist and a dry tropical forest. Biotropica 2012, 44 (3), 276–283.
  Prescott, C. E.; Vesterdal, L.; Pratt, J.; Venner, K. H.; Montigny, L. D.; Trofymow, J. A., Nutrient concentrations and nitrogen mineralization in forest floors of single species conifer plantations in coastal British Columbia. Canadian Journal of Forest Research 2000, 30 (9), 1341–1352.
 Rasouli-Sadaghiani, M. H.; Sheikhlou, F., Effects of agronomic, orchard and forest land uses on soil quality index (SQI) in west Azerbaijan province. Journal of Water and Soil 2016, 26 (2), 141–153.
 Renčo, M.; Gömöryová, E.; Čerevková, A., Close-to-nature forest management effects on soil nematodes and microbial activity in pine plantations on Aeolian sands. Community Ecology 2024, 25 (3), 337–348.
  Tafazoli, M.; Hojjati, S. M., Modeling lead and cadmium content in soil induced by coal mining activities in Hyrcanian forests. Soil and Sediment Contamination: An International Journal 2025, 1–15.
 Udom, B. E.; Ehilegbu, J., Critical moisture content, bulk density relationships and compaction of cultivated and uncultivated soils in the humid tropics. Asian Soil Research Journal 2018, 1, 1–9.
Vasu, D.; Tiwary, P.; Chandran, P., A Novel and comprehensive soil quality index integrating soil morphological, physical, chemical, and biological properties. Soil and Tillage Research 2024, 244, 106246.
 Vesterdal, L.; Schmidt, I. K.; Callesen, I.; Nilsson, L. O.; Gundersen, P., Carbon and nitrogen in forest floor and mineral soil under six common European tree species. Forest Ecology and Management 2008, 255 (1), 35–48.
 Vitousek, P. M.; Aber, J. D.; Howarth, R. W.; Likens, G. E.; Matson, P. A.; Schindler, D. W.; Schlesinger, W. H.; Tilman, D. G., Human alteration of the global nitrogen cycle: sources and consequences. Ecological Applications 1997, 7 (3), 737–750.
 Wei, T.; Simko, V.; Levy, M.; Xie, Y.; Jin, Y.; Zemla, J., Package ‘corrplot’. Statistician 2017, 56 (316), e24.
 Weil RR; Brady NC, The nature and properties of soils. Pearson, Ohio. 2016
  Worrell, R.; Hampson, A., The influence of some forest operations on the sustainable management of forest soils—a review. Forestry: An International Journal of Forest Research 1997, 70 (1), 61–85.
پژوهش و توسعه جنگل
دوره 11، شماره 3
آذر 1404
صفحه 401-420

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار