پاسخ ریخت‌شناسی تَرک‌های سطح خاک به خرداقلیم ایجادشده توسط گزهای دست‌کاشت

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری جنگلداری، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران

2 استاد، گروه جنگلداری، دانشکده منابع طبیعی دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران

3 دانشیار، گروه مرتع و آبخیزداری، دانشکده منابع طبیعی دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران

چکیده

چکیده
مقدمه و هدف: خشک‌شدن دریاچه‌ها و تالاب‌ها در مناطق خشک و نیمه‌خشک مانند دریاچه ارومیه، پیامد تغییر اقلیم و فشارهای انسانی است و منجر به تشکیل بسترهای نمکی ناپایدار و منبع گردوغبارهای مضر می‌شود. استقرار گونه‌های مقاوم به شوری مانند گز (Tamarix ramosissima) به‌عنوان راهبردی برای تثبیت خاک و تعدیل خرداقلیم مؤثر است. خرداقلیم ایجادشده توسط این گیاهان، دما را کاهش داده، نوسانات حرارتی را تعدیل، رطوبت نسبی را افزایش و تبخیر را محدود می‌کند و درنتیجه بر ریخت‌شناسی تَرک‌های سطحی در خاک‌های رسی-شور تأثیرگذار است. چنین تَرک‌هایی علاوه‌بر اختلال در نفوذ آب، تبادل گاز و رشد ریشه، مسیرهایی برای فرسایش بادی ایجاد می‌کنند. با این حال، شناخت تأثیر خرداقلیم گیاهی بر الگوهای تَرک‌خوردگی در این زیست‌بوم‌ها ناقص بوده و برای بهینه‌سازی طرح‌های احیایی ضروری است.
مواد و روش‌ها: این پژوهش با هدف بررسی تأثیر خرداقلیم ایجادشده توسط درختچه‌های گز دست‌کاشت بر ریخت‌شناسی تَرک‌های سطح خاک در بستر غربی خشک‌شده دریاچه ارومیه طراحی شد. از میان درختچه‌هایی که از سال 1394 کاشته شده‌اند، 60 پایه به‌صورت تصادفی سیستماتیک و با همگونی در ارتفاع، ابعاد تاج و فاصله انتخاب گردید تا بیشینه کنترل عوامل خارجی حاصل شود. با استفاده از داده‌های گلباد ایستگاه‌های سینوپتیک (1328 تا1400)، جهت بادهای غالب منطقه تعیین شد. برای تحلیل ریخت‌شناسی تَرک‌ها، از 15 پایه، در چهار جهت جغرافیایی (شمال، جنوب، شرق، غرب)، دو نقطه نمونه‌برداری، در داخل (در فاصله نصف قطر تاج) و خارج (در فاصله پنج تا هشت متر از طوقه، در فضای میانی مجاورت تاج‌ها)، درنظر گرفته شد. مجموعاً 120 تصویر دیجیتال با وضوح بالا، عمود بر سطح و با فاصله کانونی ثابت ثبت شد. پردازش تصاویر با نرم‌افزار PCAS انجام و شاخص‌های تراکم تَرک (Dc)، نسبت وزنی میانگین مساحت به محیط (AWMARP)، میانگین وزنی بُعد فرکتالی (AWMFRAC) و اتصال‌پذیری ریخت‌شناختی (r) استخراج شدند. این شاخص‌ها با روش‌های آماری در دو محیط (داخل/خارج تاج) و چهار جهت مقایسه گردید تا نقش خرداقلیم و جهت‌گیری فضایی در الگوی تَرک‌خوردگی خاک ارزیابی شود.
یافته‌ها: نتایج پژوهش نشان داد که خرداقلیم تاج‌پوشش درختچه‌های گز تأثیر قابل‌توجهی بر ریخت‌شناسی تَرک‌های سطح خاک در بستر غربی دریاچه ارومیه دارد. در زیر تاج‌پوشش، مقادیر Dc به‌طور میانگین 99/1 درصد، درحالی‌که در خارج از تاج تنها 70/0 درصد بود. همچنین، AWMARP بیش از دو برابر (0375/0 در مقابل 014/0)، AWMFRAC  تقریباً 12 برابر (40/1 در مقابل 122/0) و r تقریباً 83 درصد بیش‌تر (293/0 در مقابل 16/0) اندازه‌گیری شد. تجزیه واریانس دوطرفه تأثیر بسیار معنی‌دار موقعیت (داخل/خارج تاج) بر تمام شاخص‌ها (01/0>p) و اثر معنی‌دار جهت فقط برr  (01/0>p) را نشان داد؛ هم‌چنین، اثر متقابل جهت و موقعیت بر AWMARP و r معنی‌دار بود (01/0>p)، که بیانگر وابستگی جهتی تأثیر خرداقلیم است. در زیر تاج، بیش‌ترین مقادیر Dc و AWMFRAC در جهات شمال‌شرقی و شمال‌غربی مشاهده شد. آزمون‌های t مستقل و توکی تفاوت بسیار معنی‌دار (01/0>p) را تأیید کردند که در مجموع، Dc حدود 65 درصد، AWMARP بیش از 60 درصد، AWMFRAC تقریباً 91 درصد و r حدود 43 درصد در زیر تاج بیش‌تر بود. تصاویر PCAS نیز به‌صورت بصری نشان دادند که شبکه تَرک‌ها در زیر تاج متراکم‌تر، یکنواخت‌تر و با الگوی چندضلعی نیمه‌منظم است، درحالی‌که در مناطق باز پراکنده، نامنظم و قطعه‌قطعه است. این یافته‌ها مؤید نقش مؤثر خرداقلیم گز در تعدیل فرآیندهای فیزیکی خاک‌های نمکی-رسی است.
نتیجه‌گیری: یافته‌های این پژوهش نشان داد که درختچه‌های گز دست‌کاشت در بستر غربی دریاچه ارومیه با ایجاد خرداقلیم، ریخت‌شناسی تَرک‌های سطح خاک را به‌طور معنی‌داری بهبود می‌بخشند؛ به‌طوری‌که شاخص‌های Dc، AWMFRAC، AWMARP و r در زیر تاج‌پوشش به‌وضوح بالاتر از مناطق باز بودند. این تغییرات منجر به تشکیل شبکه‌ای متراکم، پیچیده و یکپارچه می‌شود که عملکرد هیدرولوژیکی و زیستی خاک را ارتقاء می‌دهد. بیش‌ترین تأثیر در جهت‌های شمال‌شرقی و شمال‌غربی مشاهده شد که احتمالاً ناشی از تعامل خرداقلیم با بادهای غالب و تابش خورشیدی است. از منظر کاربردی، گز فراتر از تثبیت فیزیکی، به‌عنوان مهندس زیست‌بوم، زمینه‌ساز احیای اکولوژیکی و کاهش گردوغبار است و شاخص‌های تَرک‌خوردگی می‌توانند معیارهای کمّی اثربخشی طرح‌های احیاء باشند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Morphological response of soil surface cracks to the microclimate induced by planted Tamarix shrubs

نویسندگان [English]

  • Leila Alizadeh 1
  • Ahmad Alijanpour 2
  • Hossein Kheirfam 3
1 Ph.D. Student of Forestry, Department of Forestry, Faculty of Natural Resources, Urmia University, Urmia, I.R. Iran
2 Professor, Department of Forestry, Faculty of Natural Resources, Urmia University, Urmia, I.R. Iran
3 Associate Professor, Department of Watershed and Rangeland, Faculty of Natural Resources, Urmia University, Urmia, I.R. Iran
چکیده [English]

Background and Objective: The desiccation of lakes and wetlands in arid and semi-arid regions, such as Lake Urmia, is driven by climate change and anthropogenic pressures, leading to the formation of unstable saline playas that serve as major sources of harmful dust. Establishing salt-tolerant shrubs like Tamarix ramosissima (tamarisk) is an effective strategy for soil stabilization and microclimate modulation. The microclimate created beneath shrub canopies reduces temperature, buffers thermal fluctuations, increases relative humidity, and limits evaporation, thereby influencing surface crack morphology in saline-clay soils. Such cracks not only disrupt water infiltration, gas exchange, and root growth but also provide pathways for wind erosion. However, knowledge of how plant-induced microclimates affect crack patterns in these ecosystems remains limited, hindering the optimization of ecological restoration efforts.
Material and Methods: This study assessed the impact of microclimates generated by hand-planted tamarisk shrubs on surface soil crack morphology in the western dried bed of Lake Urmia. Sixty shrubs, planted since 2015, were systematically selected based on uniformity in height, canopy dimensions, and spacing to minimize confounding factors. Prevailing wind directions were determined using synoptic station wind-rose data (1949-2021). From 15 shrubs, high-resolution vertical digital images (n= 120) were acquired at two sampling positions per shrub, beneath the canopy (at half-canopy radius) and outside the canopy (5-8 m from the stem base, in inter-canopy gaps), across four cardinal directions (N, S, E, W). Images were processed using PCAS (Pores and Cracks Analysis System) to extract key morphological indices: crack density (Dc), area-to-perimeter ratio (AWMARP), weighted mean fractal dimension (AWMFRAC), and morphological connectivity (r). Statistical analyses (two-way ANOVA, Tukey’s HSD, independent t-tests) compared indices across canopy conditions and directions.
Results: Shrub microclimates significantly altered crack morphology. Under canopies, mean Dc was 1.99% versus 0.70% in open areas; AWMARP was >2× higher (0.0375 vs. 0.014); AWMFRAC was ~12× greater (1.40 vs. 0.122); and r increased by ~83% (0.293 vs. 0.160). Two-way ANOVA confirmed highly significant effects of canopy position on all indices (p< 0.01), while direction alone significantly affected only r (p< 0.01). Interaction effects (position × direction) were significant for AWMARP and r, indicating directional dependence of microclimate impacts. Maximum Dc and AWMFRAC occurred in the NE and NW directions beneath canopies. Independent t-tests revealed highly significant differences (p< 0.01): Dc (+65%), AWMARP (+>60%), AWMFRAC (+~91%), and r (+~43%) were all higher under canopy. Visual PCAS outputs confirmed denser, more uniform, semi-regular polygonal crack networks beneath canopies, versus sparse, irregular, fragmented patterns in open areas, highlighting the efficacy of tamarisk-induced microclimate in modulating soil physical processes.
Conclusion: Hand-planted tamarisk shrubs substantially enhance surface crack morphology in the western playa of Lake Urmia by fostering structured, dense, interconnected crack networks, thereby improving soil hydraulic and biological functionality. Greatest effects occurred in NE and NW aspects, likely due to interactions between microclimate, prevailing winds, and solar radiation. Functionally, tamarisk acts as an ecosystem engineer, offering more than physical stabilization, by enabling ecological restoration and dust mitigation. Moreover, crack morphological indices serve as valuable quantitative indicators for evaluating restoration effectiveness in arid degraded lands.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Ecological restoration
  • Lake Urmia
  • Novel ecosystem
  • Soil structural stability
  • Wind erosion
Alizadeh, L.; Alijanpour, A.; Kheirfam, H. Effect of planting Tamarix ramosissima Ledeb. shrubs on soil temperature and humidity in the western dried-up beds of Lake Urmia. Iranian Journal of Forest 2023, 14 (4), 371–388. (In Persian)
Bahmani, H.; Hamzehpour, N.; Pourmohammad, S.; Mousavi, S. B.; Moosavifar, M. Harnessing salt crusts from Lake Urmia: A sustainable approach to soil stabilisation and dust mitigation. Soil Use and Management 2025, 41 (2), e70087.
Bu, F.; Liu, J.; Mei, H.; Song, Z.; Wang, Z.; Dai, C.; Qian, W. Cracking behavior of sisal fiber-reinforced clayey soil under wetting-drying cycles. Soil and Tillage Research 2023, 227, 105596.
Chen, X.; Wang, Y.; Pei, H.; Guo, Y.; Zhang, J.; Shen, Y. Expansion of irrigation led to inland lake shrinking in a semi-arid agro-pastoral region, China: A case study of Chahannur Lake. Journal of Hydrology: Regional Studies 2022, 41, 101086.
Darvishi Boloorani, A.; Sharif, M.; Samany, N. N.; Chehrenegar, B.; Amiraslani, F. Determining the minimum water level required for Lake Urmia to prevent formation of salt storms: A satellite-based analysis. International Journal of Environmental Research 2025, 19 (1), 24.
Feng, H.; Xing, X.; Xing, J.; Du, J.; Li, D. Performance and modeling of infiltration flow in cracked saline soils. Journal of Hydrology 2025, 656, 133054.
Gagliardi, S. Plant traits, microclimate modifications, and ecosystem functioning in managed environments. In Plant Functional Traits; Elsevier, 2025; pp 87–100.
Hanifinia, A.; Abghari, H.; Khosravi, Kh. Spatial analysis of meteorological drought susceptibility with a forest and watershed monitoring approach in Kurdistan Province. Forest Research and Development 2025, 11 (2), 165–181.
Havrilla, C. A.; Barger, N. N. Biocrusts and their disturbance mediate the recruitment of native and exotic grasses from a hot desert ecosystem. Ecosphere 2018, 9 (7), e02361.
Haidari, M.; Matinizadeh, M.; Pourhashemi, M.; Nouri, E.; Bagheri Delijani, N. Investigating changes in the physical and chemical characteristics of soil in control and dieback stands in Marivan County, Kurdistan Province, Iran. Forest Research and Development 2024, 10 (1), 95–111.
Iwaoka, C.; Imada, S.; Taniguchi, T.; Du, S.; Yamanaka, N.; Tateno, R. The impacts of soil fertility and salinity on soil nitrogen dynamics mediated by the soil microbial community beneath the halophytic shrub tamarisk. Microbial Ecology 2018, 75 (4), 985–996.
Kheirfam, H. Spatial prioritization of wind-erosion-prone areas in the dried-up beds of Lake Urmia using field sampling and in vitro measurement. Catena 2022, 217, 106507.
Li, C.; Yang, F.; Zheng, X.; Han, Z.; Pan, H.; Zhou, C.; Ji, C. Changes in distribution and morphology of Tamarix ramosissima nebkhas in an oasis-desert ecotone. Geosciences Journal 2021, 25 (5), 661–673.
Liu, C.; Tang, C. S.; Shi, B.; Suo, W. B. Automatic quantification of crack patterns by image processing. Computers & Geosciences 2013, 57, 77–80.
Lozano, Y. M.; Hortal, S.; Armas, C.; Pugnaire, F. I. Complementarity in nurse plant systems: Soil drives community composition while microclimate enhances productivity and diversity. Plant and Soil 2020, 450 (1–2), 385–396.
Miri, A.; Davidson-Arnott, R. The effectiveness of a single Tamarix tree in reducing aeolian erosion in an arid region. Agricultural and Forest Meteorology 2021, 300, 108324.
Novak, V. Soil-crack characteristics: Estimation methods applied to heavy soils in the NOPEX area. Agricultural and Forest Meteorology 1999, 98–99, 501–507.
Pi, H.; Webb, N. P.; Huggins, D. R.; Sharratt, B. Influence of physical crust cover on the wind erodibility of soils in the inland Pacific Northwest, USA. Earth Surface Processes and Landforms 2021, 46 (8), 1445–1457.
Rafieijahed, R.; Sagheb-Talebi, K.; Khanjani-Shiraz, B.; Eslamdoust, J. Diversity, composition and occurrence probability of tree-related microhabitats in the decay developmental stage of Hyrcanian intact beech forests (Sika and Shafarood regions). Forest Research and Development 2025, 11 (3), 295–316.
Ramirez, C.; Wright, A. J. Microclimate and growth advantages in the "Three Sisters" planting food system in an urban garden. Plant and Soil 2025, 506 (1–2), 541–553.
Ribeiro Filho, J. C.; Andrade, E. M.; Guerreiro, M. S.; Palácio, H. A. Q.; Brasil, J. B. Soil-water-atmosphere effects on soil crack characteristics under field conditions in a semiarid climate. Hydrology 2023, 10 (4), 83.
Rostami, S.; Alijanpour, A.; Banj Shafiei, A.; Ahmady-Birgani, H.; Beygi Heidarlou, H. Investigation of biological activities for combating desertification in the western shores of Lake Urmia, northwest Iran. Journal of Arid Land 2023, 15 (3), 297–309.
Sadeghi, S. H. R.; Kheirfam, H.; Zarei Darki, B. Controlling runoff generation and soil loss from field experimental plots through inoculating cyanobacteria. Journal of Hydrology 2020, 585, 124814.
Shi, K.; Liao, J.; Zou, X.; Chen, H. Y. H.; Delgado-Baquerizo, M.; Wanek, W.; Ni, J.; Ren, T.; Zhang, C.; Yan, Z.; Ruan, H. Forest development induces soil aggregate formation and stabilization: Implications for sequestration of soil carbon and nitrogen. Catena 2024, 246, 108363.
Tang, C. S.; Shi, B.; Liu, C.; Suo, W. B.; Gao, L. Experimental characterization of shrinkage and desiccation cracking in thin clay layers. Applied Clay Science 2011, 52 (1–2), 69–77.
Tefera, W.; Shiferaw, W.; Kassa, G. Ecological factors influence diversity, structure, and regeneration status of woody plant species in Basso Subwatershed, Gamo Zone, Ethiopia. Scientifica 2025, 2025, 8890087.
Vogel, H. J.; Hoffmann, H.; Roth, K. Studies of crack dynamics in clay soil. I. Experimental methods, results, and morphological quantification. Geoderma 2005, 125 (3–4), 203–211.
Xiong, D.; Long, Y.; Yan, D.; Lu, X.; Ji, Z.; Fang, H. Surface morphology of soil cracks in Yuanmou Dry-hot Valley region, southwest China. Journal of Mountain Science 2009, 6 (4), 373–379.
Xiong, D.; Yan, D.; Long, Y.; Lu,X.; Han, J.; Han, X.; Shi, L. Simulation of morphological development of soil cracks in Yuanmou Dry-hot Valley region, southwest China. Chinese Geographical Science 2010, 20 (2), 112–122.
Ye, Z.; Wang, X.; Yang, L.; Zhang, W.; Zhou, J.; Qu, Y.; Chang, V. W. C. Direct observation of biochar aging: Influence of environmental coverage on surface cracks in long-term aged wildfire charcoal. Environmental Technology & Innovation 2025, 40, 104464.
Yin, D.; Wang, L. Individual mangrove tree measurement using UAV-based LiDAR data: Possibilities and challenges. Remote Sensing of Environment 2019, 223, 34–49.
Zamani, S.; Mahmoodabadi, M.; Yazdanpanah, N.; Farpoor, M. H. Meteorological application of wind speed and direction linked to remote sensing images for the modelling of sand drift potential and dune morphology. Meteorological Applications 2020, 27 (1), e1851.
Zeng, Z. J.; Tang, C. S.; Cheng, Q.; An, N.; Chen, X. Y.; Luo, Z. Q.; Shi, B. Numerical analysis of environmental influences on evaporation in a cracked soil slope. Computers and Geotechnics 2024, 168, 106126.
Zhang, Z. B.; Zhou, H.; Lin, H.; Peng, X. Puddling intensity, sesquioxides, and soil organic carbon impacts on crack patterns of two paddy soils. Geoderma 2016, 262, 155–164.