تأثیر مشخصات مالچ سنگ‌ریزه‌ای بر کنترل گرد و غبار جاده‌های جنگلی منطقة عرب‌داغ استان گلستان

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد جنگلداری، دانشکدۀ علوم جنگل، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران

2 دانشیار، گروه جنگلداری، دانشکدۀ علوم جنگل، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران

3 استادیار، گروه جنگلداری، دانشکدۀ علوم جنگل، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران

چکیده

مقدمه و هدف: شبکة جاده‌های جنگلی استان گلستان بیشتر خاکی یا شن‌ریزی شده‌اند و در فصل‌های گرم سال به‌ویژه تابستان، تحت تأثیر وزش باد و تردد وسایل نقلیه، مقدار قابل‌توجهی گرد و غبار تولید می‌کنند. این پدیده علاوه بر کاهش کیفیت دید رانندگان و تهدید ایمنی عبور و مرور، موجب آلودگی محیط‌زیست، نارضایتی گردشگران و تسریع در فرسایش سطحی جاده‌ها می‌شود. از این‌رو، شناسایی راهکارهای پایدار برای کنترل گرد و غبار جنگل ‌راه‌ها از اهمیت بالایی برخوردار است. یکی از روش‌های متداول و قابل‌اجرا در اراضی خشک و نیمه‌خشک استفاده از پوشش‌های سنگ‌ریزه‌ای (مالچ سنگ­ریزه) است که می‌تواند با ایجاد زبری سطحی، نفوذ باد به لایه‌های خاک را کاهش داده و درعین‌حال ذرات گرد و غبار را به­دام اندازد. این پژوهش با هدف بررسی تأثیر نوع و درصد پوشش سنگ­ریزه بر کنترل گرد و غبار جاده‌های جنگلی عرب‌داغ در شرق استان گلستان انجام شد.
مواد و روش‌ها: برای این منظور از دستگاه تونل باد پرتابل استفاده شد که می­تواند با ایجاد جریان کنترل‌شده هوا در مسیر افقی، رفتار ذرات خاک و مقدار فرسایش بادی را در مقیاس میدانی شبیه‌سازی کند. سطح تماس تونل 60 × 38 سانتی‌متر درنظر گرفته شد و بخش‌هایی از شبکة جاده با ویژگی‌های هندسی یکنواخت (از نظر شیب، انحنا و عرض) به‌صورت تصادفی انتخاب شد. در این قطعات، تیمارهای مختلف پوشش سنگ­ریزه با سه اندازة قلوه‌سنگ کوچک (بزرگ‌تر از سه سانتی‌متر)، سنگ­ریزه بادامی (سه تا 5/1 سانتی‌متر) و ریگ (کوچک‌تر از 5/1 سانتی‌متر) با چهار سطح پوشش صفر (شاهد)، 25، 50 و 75 درصد اجرا شد. پس از پاشش مصالح، سطوح تیمار شده با غلتک استوانه‌ای دستی متراکم شد تا پایداری اولیة سطح تأمین شود. آزمایش‌ها در دو سرعت جریان باد (دو و چهار متر بر ثانیه) که بیانگر شرایط واقعی باد در هنگام عبور خودروها بر سطح جاده هستند، انجام شد. برای هر سرعت سه تکرار و درمجموع 72 نمونه آزمایشی مورد ارزیابی قرار گرفت. گرد و غبار جمع‌آوری‌شده در محفظة سیلیکونی انتهای تونل پس از هر آزمایش توسط ترازوی دیجیتال با دقت 1/0 میلی‌گرم وزن شد. داده‌ها با طراحی آزمایش فاکتوریل و تجزیة آماری در قالب مدل خطی عمومی در سطح اطمینان 99 درصد در نرم‌افزار SPSS تحلیل شد.
یافته‌ها: نتایج نشان داد که اثر مستقل نوع سنگ‌ریزه، درصد پوشش و سرعت باد بر مقدار گردوغبار تولیدشده در سطح 1 درصد معنی‌دار بود (P<0.01). همچنین، اثر متقابل نوع سنگ‌ریزه و درصد پوشش نیز معنی‌دار بود، اما برهم‌کنش این دو عامل با سرعت باد تفاوت آماری معنی‌داری نشان نداد (P>0.05). مقایسه میانگین‌ها نشان داد که همه انواع سنگ‌ریزه نسبت به تیمار شاهد موجب کاهش معنی‌دار گردوغبار شدند، هرچند قلوه‌سنگ‌های کوچک بیشترین کارایی را داشتند. میانگین گردوغبار تولیدشده در تیمار شاهد 15/17 گرم بر مترمکعب بود که در تیمارهای قلوه‌سنگ کوچک، سنگ‌ریزه بادامی و ریگ به‌ترتیب به 72/9، 09/11 و 87/11 گرم بر مترمکعب کاهش یافت. افزایش درصد پوشش نیز به‌طور معنی‌داری میزان گردوغبار را کاهش داد؛ به‌طوری‌که پوشش 75 درصد قلوه‌سنگ کوچک در سرعت‌های دو و چهار متر بر ثانیه به‌ترتیب موجب 81 و 71 درصد کاهش گردوغبار شد. در همین سطح پوشش، سنگ‌ریزه بادامی کاهش 44 و 50 درصدی و ریگ حدود 44 درصد کاهش را در هر دو سرعت باد ایجاد کرد، در حالی که کمترین اثر کنترلی در پوشش 25 درصد مشاهده شد. همچنین، افزایش سرعت باد از دو به چهار متر بر ثانیه باعث افزایش معنی‌دار تولید گردوغبار گردید. بررسی نتایج نشان داد که اندازه و شکل هندسی سنگ‌ریزه‌ها نقش مهمی در پایداری سطح خاک دارند؛ به‌گونه‌ای که قلوه‌سنگ‌های کوچک با افزایش زبری سطح، کاهش سرعت جریان نزدیک بستر و پر کردن منافذ خاک، توان فرسایندگی باد را کاهش داده و در نتیجه بیشترین کارایی را در مهار انتشار ذرات معلق و کنترل گردوغبار نشان دادند.
نتیجه‌گیری: مالچ سنگ­ریزه، بسته به‌اندازه و درصد پوشش، می‌تواند به‌طور قابل‌توجهی از فرسایش بادی سطح جاده‌های جنگلی پیشگیری کند و درعین‌حال مقدار گرد و غبار معلق در اثر تردد وسایل نقلیه را کاهش دهد. با توجه به دسترسی آسان به منابع قرضه سنگی در شرق استان گلستان، استفاده از قلوه‌سنگ‌های کوچک با تراکم حدود 75 درصد به‌عنوان راهکاری اقتصادی، با دوام و زیست‌محیطی در کنترل گرد و غبار جاده‌های جنگلی عرب‌داغ توصیه می‌شود. با این ‌حال، پیشنهاد می‌شود در پژوهش‌های آینده، دوام زمانی این نوع مالچ و تغییر عملکرد آن در بازه‌های فصلی و تحت بارندگی‌های طبیعی بررسی شود تا از پایداری درازمدت و اثربخشی واقعی آن در شرایط میدانی اطمینان حاصل شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

The effect of gravel cover characteristics on dust control of Arab-Dagh Forest roads in Golestan province

نویسندگان [English]

  • Ibrahim Hosseinzadeh 1
  • Aidin Parsakhoo 2
  • Sattar Ezzati 3
1 MSc. student of Forestry, Department of Forestry, Faculty of Forest Sciences, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, I. R. Iran
2 Associate Professor, Department of Forestry, Faculty of Forest Sciences, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, I. R. Iran
3 Assistant Professor, Department of Forestry, Faculty of Forest Sciences, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, I. R. Iran
چکیده [English]

Background and Objective: Most forest roads in Golestan Province are unpaved or gravel-surfaced and generate considerable amounts of dust during the dry season, particularly in summer, due to vehicle traffic and wind action. Besides reducing driver visibility and traffic safety, dust emissions contribute to environmental pollution, diminish the recreational value of forest areas, and accelerate surface deterioration of forest roads. Therefore, identifying sustainable dust control measures is essential. One practical approach in arid and semi-arid regions is the application of gravel mulch, which increases surface roughness, reduces near-surface wind velocity, and traps fine particles. This study aimed to evaluate the effects of gravel type and surface cover percentage on dust suppression along the Arab-Dagh forest roads in eastern Golestan Province.
Material and Methods: A portable wind tunnel was used to simulate wind-induced soil erosion and dust emission under field conditions. The tunnel had a contact area of 60 × 38 cm, and road sections with similar geometric characteristics (slope, curvature, and width) were randomly selected. Three gravel types, including small cobbles (>3 cm), almond-shaped gravel (1.5–3 cm), and fine gravel (<1.5 cm), were applied at four surface cover levels (0, 25, 50, and 75%). After application, the treated surfaces were compacted using a manual cylindrical roller to ensure initial stability. Experiments were conducted at wind velocities of 2 and 4 m s⁻¹, representing typical airflow generated by moving vehicles. Each treatment was replicated three times, resulting in a total of 72 experimental units. Dust collected in the silicone chamber at the end of the wind tunnel was weighed using a digital balance with a precision of 0.1 mg. Data were analyzed as a factorial experiment using the General Linear Model (GLM) in SPSS at the 99% confidence level.
Results: Gravel type, surface cover percentage, and wind velocity each had significant effects on dust production (P < 0.01). The interaction between gravel type and cover percentage was also significant, whereas the three-way interaction with wind velocity was not (P > 0.05). All gravel treatments significantly reduced dust emissions compared with the control, with small cobbles showing the greatest effectiveness. Mean dust production decreased from 15.17 g m⁻³ in the untreated control to 9.72, 11.09, and 11.87 g m⁻³ for small cobbles, almond-shaped gravel, and fine gravel, respectively. Increasing surface cover significantly enhanced dust suppression. At 75% coverage, small cobbles reduced dust emissions by 81% and 71% under wind speeds of 2 and 4 m s⁻¹, respectively. Under the same coverage, almond-shaped gravel reduced dust by 44% and 50%, while fine gravel achieved approximately 44% reduction at both wind speeds. The lowest dust suppression occurred at 25% surface cover. Increasing wind velocity from 2 to 4 m s⁻¹ significantly increased dust emissions. The results further demonstrated that gravel size and particle shape play a key role in improving soil surface stability. Small cobbles increased surface roughness, reduced near-bed airflow velocity, filled surface voids, and effectively trapped suspended particles, thereby providing the highest dust control efficiency.
Conclusion: Depending on particle size and surface coverage, gravel mulch can substantially reduce wind erosion and dust emissions from forest roads. Given the availability of suitable rock borrow sources in eastern Golestan Province, applying small cobbles at approximately 75% surface coverage is recommended as an economical, durable, and environmentally friendly method for controlling dust along the Arab-Dagh forest road network. Further studies are recommended to evaluate the long-term durability and seasonal performance of gravel mulch under natural rainfall and field conditions.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Forest road maintenance
  • small cobbles
  • roller compaction
  • wind tunnel
  • surface cover
  • road protection
Ahmadi, H. M. R. Investigation of the effect of gravel mulch to control wind erosion of saline clay soils (Daq) that cannot be biologically restored. Desert Journal 1990, 5(2), 1–16. (In Persian).
Colazo, J. C.; Buschiazzo, D. E. Soil dry aggregate stability and wind erodible fraction in a semiarid environment of Argentina. Geoderma 2010, 159, 228–236.
Ding, X.; Wang, T.; Fu, Q.; Xu, Q.; Luo, Z.; Wang, K.; Wei, T.; Wang, Y.; Zhang, Y.; Ma, M. A novel haul road dust suppression system using de-alkalized red mud as road base material and ancillary palygorskite-based biopolymer surfactant. Construction and Building Materials 2025, 494, 145163.
Edvardsson, K. Evaluation of Dust Suppressants for Gravel Roads: Methods Development and Efficiency Studies; PhD Thesis, Royal Institute of Technology: Stockholm, Sweden, 2010; p 70.
Gelbart, G.; Katra, I. Dependence of the dust emission on the aggregate sizes in loess soils. Applied Sciences 2020, 10(16), 5410.
Ghanji Vatan, A.; Ezzati, S.; Tavankar, F.; Rahmani, R. The effect of skid trail designs on the recovery of soil physical properties. Journal of Forest Research and Development 2025, 11(2), 205–222. (In Persian).
Gotosa, J.; Nyamadzawo, G.; Mtetwa, T.; Kanda, A.; Dudu, V. P. Comparative road dust suppression capacity of molasses stillage and water on gravel road in Zimbabwe. Advances in Research 2015, 3(2), 198–208.
Hamidi, A.; Salimi, N.; Yazdanjo, V. Effects of sand grain shape and size on shear strength properties of sandy soils. Quarterly Journal of Earth Sciences 2011, 20(80), 189–196. (In Persian).
He, C.; Jiang, W. Research on particle size distribution and composition of road deposit dust in Xi'an: From the perspective of non-exhaust emissions. Journal of Cleaner Production 2024, 470, 124136.
Hevia, G. G.; Mendez, M.; Buschiazzo, D. E. Tillage affects soil aggregation parameters linked with wind erosion. Geoderma 2007, 140, 90–96.
Jones, D. Holistic approach to research into dust and dust control on unsealed roads. Transportation Research Record 1999, 1652(2), 3–9.
Kuttah, D.; Olsson, N. A. Field assessment of enzyme-based stabilization for sustainable forest roads in Sweden. European Transport Studies 2025, 2, 24–32.
Lee, M. G.; Ryu, H.; Chung, W.; Hyun, M.; Lee, S. H.; Pak, M.; Kim, M.; Hur, J.; Kwon, J. T.; Lee, J.; Kim, Y. Influence of road roughness and slope on the accumulation and distribution of tire-wear particles and heavy metals in road dust. Environmental Research 2025, 282, 21–36.
Li, X.; Liu, L.; Gong, J. Influence of pebble mulch on soil erosion by wind and trapping capacity for windblown sediment. Soil and Tillage Research 2001, 59(3–4), 137–142.
Lotfalian, M.; Parsakhoo, A.; Sadeghi, M.; Nazariani, N. Comparison of soil compaction recovery methods on skid trails. Journal of Forest Research and Development 2018, 4(1), 59–71. (In Persian).
Monlux, S.; Mitchell, M. Chloride stabilization of unpaved road aggregate surfacing. Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board 2007, 1989(2), 50–58.
Morgan, R. J.; Schaefer, V. R.; Sharma, R. S. Determination and Evaluation of Alternative Methods for Managing and Controlling Highway-Related Dust: Phase II – Demonstration Project; IHRB Project TR-506, Iowa Highway Research Board: Ames, IA, USA, 2005; p 107.
Parsakhoo, A.; Hosseini, S. A.; Lotfalian, M.; Mohammadi, J.; Salarijazi, M. Efficiency of different anti-dust agents in reducing dust emission from forest road and deposition on leaf surface. Croatian Journal of Forest Engineering 2021, 42(2), 269–282.
Raupach, M.; Leys, J. Erodynamics of a portable wind erosion tunnel for measuring soil erodibility by wind. Soil Research 1990, 28, 177–191.
Salehi, F.; Panahi, F.; Abbasi, H. Wind tunnel and threshold wind velocity simulation in different land-units of sand and dust storm sources. Ecopersia 2023, 11(4), 369–380. (In Persian).
Shao, Y.; Raupach, M.; Findlater, P. Effect of saltation bombardment on the entrainment of dust by wind. Journal of Geophysical Research: Atmospheres 1993, 98, 12719–12726.
Sirjani, E.; Sameni, A.; Moosavi, A. A.; Mahmoodabadi, M.; Laurent, B. Portable wind tunnel experiments to study soil erosion by wind and its link to soil properties in the Fars Province, Iran. Geoderma 2019, 333, 69–80.
Swet, N.; Elperin, T.; Kok, J. F.; Martin, R. L.; Katra, H. Y. I. Can active sands generate dust particles by wind-induced processes? Earth and Planetary Science Letters 2019, 506, 371–380.
Swet, N.; Katra, I. Reduction in soil aggregation in response to dust emission processes. Geomorphology 2016, 268, 177–183.
Tanner, S.; Katra, I.; Haim, A.; Zaady, E. Short-term soil loss by eolian erosion in response to different rain-fed agricultural practices. Soil and Tillage Research 2016, 155, 149–156.
Van Pelt, R.; Baddock, M.; Zobeck, T.; Schlegel, A.; Vigil, M.; Martinez, V. A. Field wind tunnel testing of two silt loam soils on the North America Central High Plains. Aeolian Research 2013, 10, 53–59.
Wang, J.; Luo, Z.; Zhang, G.; Chen, J.; Du, C.; Wang, Y.; Ding, X. Experimental and numerical simulation of road dust distribution and transport characteristics under disturbance of automobile tire in open-pit mine. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 2025, 266, 321–339.
Wang, R.; Li, Q.; Zhou, N.; Chang, C.; Guo, Z.; Li, J. Effect of wind speed on aggregate size distribution of windblown sediment. Aeolian Research 2019, 36, 1–8.
Wang, R.; Zhang, Y.; Zhang, S.; Li, Q.; Wang, R.; Li, Z.; Chang, C.; Guo, Z.; Zhou, N. Comprehensive effect of soil particle size composition and wind speed on dust emission efficiency. Journal of Geophysical Research: Atmospheres 2024, 129(3), 156–181.
Yang, J.; Li, X.; Wang, W.; Chai, H.; An, M.; Dai, Q. The mechanism of dust transportation based on wind tunnel experiments and numerical simulations. Water 2024, 16(7), 1006.
Yulevitch, G.; Danon, M.; Krasovitov, B.; Fominykh, A.; Swet, N.; Tsesarsky, M.; Katra, I. Evaluation of wind-induced dust-PM emission from unpaved roads varying in silt content by experimental results. Atmospheric Pollution Research 2020, 11, 261–268.
Zobeck, T.; Popham, T.; Skidmore, E.; Lamb, J.; Merrill, S.; Lindstrom, M. Aggregate-mean diameter and wind-erodible soil predictions using dry aggregate-size distributions. Soil Science Society of America Journal 2013, 67, 425–436.