| تعداد نشریات | 284 |
| تعداد نشریات سازمان | 82 |
| تعداد شماره‌ها | 3,081 |
| تعداد مقالات | 34,377 |
| تعداد مشاهده مقاله | 48,004,458 |
| تعداد دریافت فایل اصل مقاله | 78,922,481 |
تحلیل ارتباط بین تغییرات مولفه‌های هیدرولوژیکی و سنجه‌های سیمای سرزمین تحت شبیه‌سازی باران و پوشش گیاهی مرتعی استان اردبیل | ||
| مهندسی و مدیریت آبخیز | ||
| دوره 16، شماره 1، فروردین 1403، صفحه 98-116 اصل مقاله (1.66 M) | ||
| نوع مقاله: مقاله پژوهشی | ||
| شناسه دیجیتال (DOI): 10.22092/ijwmse.2023.361373.2010 | ||
| نویسندگان | ||
| مهین کله هوئی1؛ رئوف مصطفی‌زاده2؛ اباذر اسمعلی‌عوری3؛ فردین رحمانی ننه‌کران4؛ علیرضا فاضلی4؛ نازیلا علائی5؛ زینب حزباوی* 2 | ||
| 1دانش‌آموخته دکتری علوم و مهندسی آبخیزداری، گروه آبخیزداری، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تربیت مدرس، نور، ایران | ||
| 2دانشیار، گروه مرتع و آبخیزداری، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی و عضو پژوهشکده مدیریت آب، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران | ||
| 3استاد، گروه مرتع و آبخیزداری، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی و عضو پژوهشکده مدیریت آب، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران | ||
| 4دانش‌آموخته کارشناسی ارشد، گروه مرتع و آبخیزداری، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران | ||
| 5دانشجوی دکتری علوم و مهندسی آبخیزداری، گروه مرتع و آبخیزداری، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران | ||
| چکیده | ||
| مقدمه سامانه بارشی در بخش عمده‌ای از سرزمین ایران، از نوع مدیترانه‌ای است که در آن میزان ریزش‌های جوی در دوره رویش گیاهان کم است. علاوه‌بر این، وقوع بارش در دوره غیررویشی و یا اوایل دوره رویشی که گیاهان هنوز سطح زمین را به خوبی نپوشانده‌اند، از دلایل مهم فرسایش آبی در ایران است. از آنجایی‌که پوشش گیاهی نقش ویژه‌ای در مهار فرسایش خاک و نگهداشت رواناب دارد، هرگونه تغییر در ساختار و الگوی آن که بیان‌گر الگو و عملکرد سیمای سرزمین است، می‌تواند اثر قابل توجهی در تغییر فرایندهای هیدرولوژیکی داشته باشد. لذا، ارزیابی از هدررفت آب و خاک و کمی‌سازی ارتباط آن با سنجه‌های سیمای سرزمین، اطلاعات کلیدی به‌منظور توسعه راهبردهای مدیریتی کیفیت آب و خاک فراهم می‌کند. مواد و روش‌ها پژوهش حاضر با هدف بررسی تغییرات مولفه‌های هیدرولوژیکی در ارتباط با سنجه‌های سیمای سرزمین در مقیاس کرت‌های صحرایی دو متر مربعی و با استفاده از باران شبیه‌سازی شده در شدت 32 میلی‌متر بر ساعت، در بخشی از مراتع شهرستان اردبیل انجام شد. در ابتدا، با در نظر گرفتن نوع و درصد پوشش گیاهی به‌عنوان متغیر اصلی، هشت گروه از ترکیب پوشش گیاهی به‌همراه یک گروه بدون پوشش گیاهی (شاهد) با سه تکرار در نظر گرفته شد. ترکیب و درصد پوشش گیاهی از گروه اول تا هشتم به‌ترتیب شامل غالبیت گرامینه با ارتفاع کم (45)، ترکیب بوته‌ای متراکم با گرامینه (43)، بوته‌ای با ارتفاع کم و پراکنش متوسط (37)، بوته‌ای پراکنده با ارتفاع عمدتا کم و متوسط (31)، ترکیب بوته‌ای پراکنده با گرامینه (56)، بوته‌ای متراکم در بالادست (54)، بوته‌ای با ارتفاع کم و پراکنش بسیار کم (15) و بوته‌ای متراکم با پوشش تقریبا یکنواخت (56) بوده است. پس از اندازه‌گیری رواناب و رسوب در خروجی کرت‌ها، مولفه‌های هیدرولوژیکی مختلف محاسبه شدند. سپس، کرت‌های دارای نه ترکیب مختلف از پوشش گیاهی در سه تکرار قبل و پس از شبیه‌سازی باران، تصویر‌برداری شدند. پس از انتقال تصاویر تهیه شده از کرت‌ها به محیط Arc/Map 10.8، نه سنجه مهم سیمای سرزمین محاسبه شد. نتایج و بحث تغییرات میانگین سنجه‌های تراکم لکه (26.90-4.43)، شاخص بزرگ‌ترین لکه (86.75-54.16)، تراکم حاشیه (107.38-17.12)، شاخص شکل سیمای سرزمین (4.47-1.50)، میانگین اندازه لکه (37.46-4.16)، میانگین فاصله نزدیک‌ترین همسایه اقلیدسی (1.65-0.00)، شاخص گسستگی سیما (2.31-0.19)، میانگین شاخص شکل لکه (22.85-1.24) و اندازه شبکه تاثیرگذار (43.96-15.80)، نشان‌دهنده تاثیرپذیری متفاوت آن‌ها از درصد و ترکیب مختلف پوشش گیاهی بوده است. تحلیل ماتریس همبستگی اسپیرمن، ارتباط غیرمعنی‌داری (r<0.26 و p-value>0.10) بین مقادیر میانگین هدررفت خاک، حجم رواناب، ضریب رواناب و غلظت رسوب با سنجه‌های سیمای سرزمین نشان داد. کوچک بودن مقیاس کرت‌های مورد بررسی، عدم تنوع زیاد در ترکیب پوشش گیاهی و یکنواختی از نظر ارتفاع پوشش گیاهی را می‌توان از دلایل عدم همبستگی ذکر کرد. در حالت کلی، گروه‌هایی که مقادیر پوشش گیاهی بالای 50 درصد داشتند، از وضعیت بهتری از نظر LPI، AREA_MN و MESH برخوردار بودند که نشان‌دهنده پیوستگی بیشتر و تخریب کمتر است. افزایش پوشش گیاهی و ناهمگنی مکانی بالای سیمای سرزمین می‌تواند مسیر انتقال رسوب را تغییر داده، اتصال رسوب را کاهش داده است و منجر به کاهش رسوبگذاری شود. نتیجه‌گیری نتایج به‌دست آمده، در تبیین مرجع مناسب به‌منظور بهینه‌سازی اقدامات حفاظت آب و خاک در مقیاس حوزه آبخیز کاربرد دارند. هر چند، پیشنهاد می‌شود که پژوهش‌های مشابه و جامع‌تر در مقیاس‌های مختلف از کرت‌های فرسایشی و نیز حتی در مقیاس دامنه صورت بگیرد تا با در نظر گرفتن طیف وسیعی از شرایط پوشش گیاهی، توپوگرافی، اقلیمی و نیز رگبارهای متوالی، امکان مقایسه نتایج، انتخاب بهینه مقیاس مطالعاتی و در نهایت، برنامه‌ریزی به‌منظور مدیریت و حفاظت از پوشش گیاهی و منابع آب و خاک، فراهم شود. | ||
| کلیدواژه‌ها | ||
| بررسی میدانی؛ پوشش مرتعی؛ تغییرپذیری مکانی؛ ضریب رواناب؛ هدررفت خاک | ||
| عنوان مقاله [English] | ||
| Analysis the relationship between the changes of hydrological components and landscape metrics under rainfall simulation and rangeland vegetation of Ardabil Province | ||
| نویسندگان [English] | ||
| Mahin Kalehhouei1؛ Raoof Mostafazadeh2؛ Abazar Esmali Ouri3؛ Rahmani Naneh Karan, Fardin4؛ Fazeli, Alireza4؛ Nazila Alaei5؛ Zeinab Hazbavi2 | ||
| 1Former PhD Student, Department of Watershed Management Engineering, Faculty of Natural Resources, Tarbiat Modares University, Noor, Iran | ||
| 2Associate Professor, Department of Range and Watershed Management, Faculty of Agriculture and Natural Resources, Member of Water Management Research Center, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran | ||
| 3Professor, Department of Range and Watershed Management, Faculty of Agriculture and Natural Resources, Member of Water Management Research Center, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran | ||
| 4Former Msc Student, Department of Range and Watershed Management, Faculty of Agriculture and Natural Resources, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran | ||
| 5PhD Student, Department of Range and Watershed Management, Faculty of Natural Resources, Urmia University, Urmia, Iran | ||
| چکیده [English] | ||
| Introduction The rainfall system of a major part of Iran is mediterranean, where the precipitation amount during the vegetation period is low. In addition, the occurrence of precipitation in the non-vegetation period or beginning of the vegetation period, which does not cover the surface of the earth well, is one of the important reasons for water erosion in Iran. Since vegetation has a special role in soil erosion control and runoff retention, any change in the vegetation structure and pattern, which expresses the landscape pattern and function, can have a significant effect on changing hydrological processes. Therefore, the assessment of soil and water loss and the quantification of its relationship with landscape metrics provide key information for the development of water and soil quality management strategies. Materials and methods The current research was conducted to investigate the hydrological component changes with landscape metrics on 2 m2 plots using simulated rainfall at an intensity of 32 mm.h-1 in a part of rangelands of Ardabil County. At first, considering the type and percentage of vegetation as the main variable, eight groups of vegetation composition along with one group without vegetation (control) were considered with three replications. The composition (and percentage) of the vegetation from the first to the eighth groups, respectively, include low-height graminea predominance (45), the composition of dense bushes with graminea (43), bushes with low-height and medium-distribution (37), sparse bushes mostly with low and medium height (31), the composition of sparse bushes with graminea (56), dense bushes in upper parts (54), low-height bushes with very low distribution (15), and dense bushes with almost uniform distribution (56). After measuring the runoff and sediment at the plot outlets, different hydrological components were calculated. Then, plots with nine different vegetation combinations were imaged in three replicates before and after rainfall simulation. After transferring the images prepared from the plots to the Arc/Map10.8 environment, nine important landscape metrics were calculated. Results and discussion Changes in the mean patch density (4.43-26.90), largest patch index (54.16-86.75), edge density (17.12-107.38), landscape shape index (1.50-4.47), mean shape area (4.16-37.46), mean Euclidean nearest neighbor distance (0.00-1.65), landscape division index (0.19-2.31), mean patch shape index (1.24-22.85), and the effective mesh size (15.80-43.96) indicate their different influence from different percentage and composition of vegetation cover. Spearman's correlation matrix analysis showed a nonsignificant relationship between the mean soil loss, runoff volume, runoff coefficient, and sediment concentration with landscape metrics (r<0.26 and p-value>0.10). The small scale of the studied plots, the lack of diversity in the vegetation composition, and the uniformity in terms of vegetation height can be cited as the reasons for the lack of correlation. In general, groups with vegetation values above 50% had a better condition in terms of LPI, AREA_MN, and MESH, which indicates more connectivity and less degradation. The increase in vegetation cover and spatial heterogeneity above the landscape surface can change the path of sediment transport, reduce sediment connectivity, and lead to a decrease in sedimentation. Conclusion The obtained results are applicable in explaining the appropriate reference to optimize water and soil protection measures on the watershed scale. However, It is suggested that similar and more comprehensive research be done in different scales of erosion plots and even in the landscape (slope) scale so that by considering a wide range of vegetation, topography, climatic conditions, as well as successive rains, it is possible to compare the results, optimum selection of study scale, and finally planning to manage and protect vegetation and water and soil resources. | ||
| کلیدواژه‌ها [English] | ||
| Field survey, Rangeland cover, Runoff coefficient, Soil loss, Spatial variability | ||
| مراجع | ||
|
Abbasi Khalaki, M., 2018. Locating for capable dryland farming lands to restoration and the effect of nano potassium silicate and other facilitators on the establishment of some rangeland species. PhD Thesis, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil (in Persian). Aghabeigi, N., Esmali Ouri, A., Mostafazadeh, R., Golshan, M., 2020. The effects of climate change on runoff and suspended sediment values in some watersheds of Ardabil Province. J. Geogr. Reg. Plan. 24(73), 47-66 (in Persian). Ahmadi Mirghaed, F., Souri, B., Mohammadzadeh, M., Salmanmahiny, A.R., Mirkarimi, S.H., 2018. Evaluation of the relationship between soil erosion and landscape metrics across Gorgan Watershed in northern Iran. Environ. Monit. Assess. 190, 643. Alaei, N., Mostafazadeh, R., Esmali Ouri, A., Hazbavi, Z., Sharari, M., Huang, G., 2022. Spatial comparative analysis of landscape fragmentation metrics in watershed with diverse land uses in Iran. Sustainability 14, 14876. Alavizadeh, F., Naseri, K., Golkarian, A., Tavili, A., 2014. The study of biological soil crust (mosses) roles in protection of surface soil in front of water erosion, case study: Rangelands around Torogh Dam in Khorasan Razavi Province. J. Range Watershed Manage. 67(1), 83-92. Arabkhedri, M., Shadfar, S., Jafari-Ardakani, A., Bayat, R., Khajavi, E., Mahdian, M.H., 2018. Improving water erosion estimates for Iran. Watershed Manage. Res. 120, 13-27 (in Persian). Baude, M., Meyer, B.C., Schindewolf, M., 2019. Land use change in an agricultural landscape causing degradation of soil based ecosystem services. Sci. Total Environ. 659, 1526-1536. Bautista, S., Mayor, A.G., Bourakhouadar, J., Bellot, J., 2007. Plant spatial pattern predicts hillslope runoff and erosion in a semiarid Mediterranean landscape. Ecosystems 10, 987-998. Bihamta, M., Zare Chahooki, M., 2010. Principles of statistics for the natural resources science. Tehran University Press, Tehran, 300 pages (in Persian). Brini, I., Alexakis, D.D., Kalaitzidis, C., 2021. Linking soil erosion modeling to landscape patterns and geomorphometry: an application in Crete, Greece. Appl. Sci. 11(12), 5684. Carey, R.O., Migliaccio, K.W., Li, Y., Schaffer, B., Kiker, G.A., Brown, M.T., 2011. Land use disturbance indicators and water quality variability in the Biscayne Bay Watershed, Florida. Ecol. Indic. 11(5), 1093-1104. Chen, C., Zhao, G., Zhang, Y., Bai, Y., Tian, P., Mu, X., Tian, X., 2023. Linkages between soil erosion and long-term changes of landscape pattern in a small watershed on the Chinese loess plateau. Catena 220, 106659. Cheng, Q., Ma, W., Cai, Q., 2008. The relative importance of soil crust and slope angle in runoff and soil loss: a case study in the hilly areas of the loess plateau, North China. GeoJournal 71(2), 117-125. Duley, F.L., Hays, O.E., 1932. The effect of the degree of slope on runoff and soil erosion. J. Agric. Res. 45, 349-360. Eslami, S.F., Vaezi, A.R., 2015. Runoff and sediment production under the similar rainfall events in different aggregate sizes of an agricultural soil. J. Water Soil 29(6), 41-58 (in Persian). Ferreira, C.S., Seifollahi-Aghmiuni, S., Destouni, G., Ghajarnia, N., Kalantari, Z., 2022. Soil degradation in the European Mediterranean region: processes, status and consequences. Sci. Total Environ. 805, 150106. Geissen, V., Sánchez-Hernández, R., Kampichler, C., Ramos-Reyes, R., Sepulveda-Lozada, A., Ochoa- Goana, S., De Jong, B.H.J., Huerta-Lwanga, E., Hernández-Daumas, S., 2009. Effects of land-use change on some properties of tropical soils-An example from Southeast Mexico. Geoderma 151(3-4), 87-97. Ghorbani, A., Hazbavi, Z., Mostafazadeh, R., Alaei, N., 2021. Analysis the relationship between landscape metrics and soil erosion of KoozehTopraghi Watershed, Ardabil Province. J. Geo. Environ.Hazards 9(36), 41-58 (in Persian). Gioia, D., Minervino Amodio, A., Maggio, A., Sabia, C.A., 2021. Impact of land use changes on the erosion processes of a degraded rural landscape: an analysis based on high-resolution DEMs, historical images and soil erosion models. Land 10(7), 673. Hazbavi, Z., Sadeghi, S.H.R., Younesi, H., 2012. Analysis and assessing affectability of runoff components from different levels of polyacrylamide. J. Water Soil Resour. Conserv. 2(2), 1-12 (in Persian). Hu, C., Ran, G., Li, G., Yu, Y., Wu, Q., Yan, D., Jian, S., 2021. The effects of rainfall characteristics and land use and cover change on runoff in the Yellow River Basin, China. J. Hydrol. Hydromech. 69(1), 29-40. Kalehhouie, M., Kavian, A., Gholami, L., Jafarian, Z., 2018. Protective impact of colza straw (Brassica napus L.) on runoff and soil loss control using rainfall simulation. J. Watershed Manag. Res. 31(1), 73-82 (in Persian). Kalehhouie, M., Kavian, A., Gholami, L., Jafarian, Z., 2020. Influence of start time and coefficient of runoff to application of organic mulch under small laboratory plots. Iran Watershed Manage. Sci. Engin. 13(47), 9-17. Karami, A., Feghhi, J., 2011. Investigating the of landscape metrics in preserving land use patterns, case study: Kohgiluyeh and Boyerahmad Province. Ecology 2(60) 79-88 (in Persian). Katebikord, A., Khaledi Darvishan, A., Alavi, S.J., 2018. Effects of rainfall duration on hydrological response of field plots under rainfall simulation. J. Watershed Manage. Res. 9(17), 49-56 (in Persian). Kavian, A., Mohammadi, M., Fallah, M., Gholami, L., 2016. Effect of wheat straw on changing time to runoff and runoff coefficient in laboratory plots under rainfall simulation. J. Water Soil Resour. Conserv. 5(2), 73-82 (in Persian). Kiyani, V., Feghhi, J., 2015. Investigation of cover/land use structure of sefidrod watershed by landscape ecology metrics. J. Environ. Sci. Tech. 17(2), 131-141. Kukal, S.S., Sarkar, M., 2011. Laboratory simulation studies on splash erosion and crusting in relation to surface roughness and raindrop size. J. Indian Soc. Soil Sci. 59, 87-93. Lassu, T., Seeger, M., Peters, P., Keesstra, S.D., 2015. The Wageningen rainfall simulator: set‐up and calibration of an indoor nozzle‐type rainfall simulator for soil erosion studies. Land Degrad. Dev. 26(6), 604-612. Li, J., Zhou, Y., Li, Q., Yi, S., Peng, L., 2021. Exploring the effects of land use changes on the landscape pattern and soil erosion of Western Hubei Province from 2000 to 2020. Int. J. Environ. Res. Public Health. 19(3), 1571. Liu, X., Zhang, Y., 2022. Landscape analysis of runoff and sedimentation based on land use/cover change in two typical watersheds on the loess plateau, China. Life 12, 1688. Marco da Silva, A., Huang, C.H., Francesconi, W., Saintil, T., Villegas, J., 2015. Using landscape metrics to analyze micro-scale soil erosion processes. Ecol. Indic. 56, 184-193. Marques, M.J., Bienes, R., Jiménez, L., Pérez-Rodríguez, R., 2007. Effect of vegetal cover on runoff and soil erosion under light intensity events, rainfall simulation over USLE plots. Sci. Total Environ. 378(1-2), 161-165. McGarigal, K., 2001. Landscape metrics for categorical map patterns. http://www.umass.edu/landeco/teaching/ McGarigal, K., Ene, E., 2013. FRAGSTATS: spatial pattern analysis program for categorical maps. Computer software program produced by the authors at the University of Massachusetts, Amherst. http://www.umass.edu/landeco/research/fragstats/fragstats.html Meyer, L.D., Harmon, W.C., 1984. Susceptibility of agricultural soils to interrill erosion. Soil Sci. Soc. Am. 48, 1152-1157. Morgan, R.P.C., 2005. Soil erosion and conservation. 3rd edition. Blackwell Publishing, Oxford, 304 pages. Munoth, P., Goyal, R., 2020. Impacts of land use land cover change on runoff and sediment yield of Upper Tapi River sub-basin, India. Int. J. River Basin Manag. 18(2), 177-189. Rahmani, N.K.F., Esmaeli Ouri, A., Hazbavi, Z., Kalehhouei, M., Ahmadi, M., Mostafazadeh, R., 2021. Simulating the vegetation type effect on hydrological response at field plot scale.10th International Conference on Rainwater Catchment Systems, University of Kurdistan (in Persian). Rahmani Naneh Karan, F., Esmaeli Ouri, A., Kalehhouei, M., Ahmadi, M., Mostafazadeh, R., Hazbavi, Z., 2022. The changeability of runoff and sediment components from different compositions and percentages of vegetation. Environ. Erosion Res. J. 12(4), 158-173. Raines, G.L., 2002. Description and comparison of geologic maps with FRAGSTATS-a spatial statistics program. Comput. Geosci. 28(2), 169-177. Rodrigo-Comino, J., Keesstra, S., Cerdà, A., 2018. Soil erosion as an environmental concern in vineyards: the case study of Celler del Roure, Eastern Spain, by means of rainfall simulation experiments. Beverages 4(2), 31. Shapiro, S.S., Wilk, M.B., 1965. An analysis of variance test for normality (complete samples). Biometrika 52(3/4), 591-611. Stašek, J., Krása, J., Mistr, M., Dostál, T., Devátý, J., Středa, T., Mikulka, J., 2023. Using a rainfall simulator to define the effect of soil conservation techniques on soil loss and water retention. Land 12, 431. Tan, Z., Leung, L.R., Li, H.Y., Cohen, S., 2022. Representing global soil erosion and sediment flux in Earth System Models. J. Adv. Model. Earth Syst. 14, e2021MS002756. Uuemaa, E., Roosaare, J., Oja, T., Mander, U., 2011. Analysing the spatial structure of the Estonian landscapes: which landscape metrics are the most suitable for comparing different landscapes? Estonian. J. Ecol. 60, 70-80. Van Oost, K., Govers, G., Desmet, P.J., 2000. Evaluating the effects of changes in landscape structure on soil erosion by water and tillage. Landsc. Ecol. 15, 579-591. Wynants, M., Solomon, H., Ndakidemi, P., Blake, W.H., 2018. Pinpointing areas of increased soil erosion risk following land cover change in the Lake Manyara Catchment, Tanzania. Int J. Appl. Earth Obs. Geoinf. 71, 1-8. Xu, Y., Tang, H., Wang, B., Chen, J., 2017. Effects of landscape patterns on soil erosion processes in a mountain–basin system in the North China. Nat. Hazards 87, 1567-1585. Zhang, Sh., Fan, W., Li, Y., Yi, Y., 2017. The influence of changes in land use and landscape patterns on soil erosion in a watershed. Sci. Total Environ. 574, 34-45. Zhao, B., Zhang, L., Xia, Z., Xu, W., Liang, Y., Xia, D., 2019. Effects of rainfall intensity and vegetation cover on erosion characteristics of a soil containing rock fragments slope. Hindawi Adv. Civ. Eng. 7043428, 14. Zhou, P., Luukkanen, O., Tokola, T., Nieminen J., 2008. Effect of vegetation cover on soil erosion in a mountainous watershed. Catena 75(3), 319-325. | ||
|
آمار تعداد مشاهده مقاله: 708 تعداد دریافت فایل اصل مقاله: 344 |
||