کاربرد روش خوشه بندی دو مرحله ای برای بررسی اثر مدیریت حفاظتی جنگل‌های بلوط ایلام بر خصوصیات خاک

فصلنامة علمی - پژوهشی تحقیقات جنگل و صنوبر ایران

جلد 21  شمارة 2، صفحة 343-329، (1392)

کاربرد روش خوشه­بندی دو مرحله­ای برای بررسی اثر مدیریت حفاظتی جنگل‌های بلوط ایلام بر خصوصیات خاک

مهدی حیدری^1*، حسن پوربابائی²،علی صالحی³ و امید اسماعیل زاده⁴

^1*- نویسندۀ مسئول، دانشجوی دکتری، گروه جنگلداری، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه گیلان، صومعه‌سرا. پست‌الکترونیک:M_heydari23@yahoo.com  

2- دانشیار، گروه جنگلداری، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه گیلان، صومعه‌سرا

3- استادیار‌، گروه جنگلداری، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه گیلان، صومعه‌سرا

4- استادیار‌، گروه جنگلداری، دانشکده منابع طبیعی و علوم دریائی، دانشگاه تربیت مدرس، نور مازندران

تاریخ دریافت: 28/6/91                                                                تاریخ پذیرش: 24/12/91

چکیده

شناسایی تغییرات حاصل از تخریب و روش­های مختلف مدیریت بر منابع طبیعی می‌تواند به مدیران و برنامه ریزان کمک کند تا نتایج حاصل از تغییر کاربری اراضی، تخریب و مدیریت را شناسایی کرده و برای مواجه با آنها آماده باشند. در تحقیق حاضر سه منطقه در جنگل­های بلوط با شرایط دخالت و مدیریت متفاوت در شهرستان ایلام شامل مدیریت حفاظتی پنج ساله، مدیریت حفاظتی 20 ساله و بدون مدیریت یا تخریب شده در غرب ایران انتخاب شد. با استفاده از روش سیستماتیک- تصادفی در هر منطقه تعداد 50 قطعه نمونه 100 متر مربعی برداشت شد. سپس در مرکز هر قطعه نمونه اصلی سه نمونه خاک از عمق 0 تا 30 سانتی­متری برداشت و در نهایت یک نمونه ترکیبی به­عنوان نمونة خاک آن قطعه نمونه به آزمایشگاه منتقل شد. در ­این بررسی از روش خوشه­بندی دو مرحله­ای استفاده شد تا مهمترین عوامل مؤثر و مشترک بین هر خوشه از قطعات نمونه بر­اساس اهمیت و نیز جهت اثر آنها مشخص و به­عبارتی دیگر اثر مدیریت حفاظتی کوتاه­مدت و بلند­مدت در مقایسه با تخریب بر خصوصیات فیزیکی و شیمیایی تعیین شود. نتایج نشان داد که پایین بودن مقدار ماده آلی و ازت آمونیمی و بالا بودن وزن مخصوص ظاهری و شوری مهمترین نشانه­های مشترک منطقۀ تخریب‌شده هستند. در منطقۀ مدیریت حفاظتی پنج ساله پایین بودن ماده آلی و ازت کل و بالا بودن ازت نیتراته مهمترین نشانه­های مشترک خاک پس از پنج سال مدیریت هستند. همچنین در منطقۀ مدیریت حفاظتی20 ساله، بالا بودن ازت آمونیمی، رس و فسفر قابل جذب، ماده آلی و ازت کل و پایین بودن آهک خصوصیات بارز مشترک هستند. به‌طورکلی نتایج تحقیق حاضر نشان داد که ماده آلی، وزن مخصوص ظاهری و ازت شاخص­های مناسبی در ارزیابی تأثیر مدیریت بر اکوسیستم جنگلی بلوط غرب براساس خصوصیات فیزیکی- شیمیایی خاک محسوب می‌شوند.

واژه­های کلیدی: ماده آلی، ازت آمونیمی، وزن مخصوص ظاهری، هدایت الکتریکی، رس، فسفر

مقدمه

تغییر در مدیریت و کاربری خاک‌های جنگلی بر مقدار مواد آلی و دیگر ویژگی‌های شیمیایی، فیزیکی و بیولوژیکی آنها بسیار اثرگذار است (Anonymous, 2006). تغییر کاربری اراضی و بخصوص تبدیل جنگل­های طبیعی به اراضی کشاورزی موجب کاهش شدید کیفیت خاک می‌شود (Schoenholtz, 2000). جنگل­های زاگرس با گونۀ غالب بلوط ایرانی که تحت عنوان جنگل­های نیمه خشک طبقه‌بندی شده‌اند با پنج میلیون هکتار وسعت، 40 درصد جنگل­های ایران را به خود اختصاص داده‌اند. اکوسیستم جنگلی زاگرس بیشترین تأثیر را در تأمین آب، حفظ خاک، تعدیل آب و هوا و تعادل اقتصادی و اجتماعی در کل کشور دارد (Sagheb-Talebi et al., 2003). متأسفانه این جنگلها در بیشتر مناطق به­علت عوامل مختلف مانند چرای دام، تبدیل اراضی جنگلی به زراعت و برداشت هیزم در معرض تخریب شدید قرار دارند. مدیریت حفاظتی کوتاه­مدت و بلند­مدت راهکارهایی است که برخی از کارشناسان برای منطقۀ زاگرس توصیه و یا اجرا کردند (Heidari et al., 2011، Samari & chizariz, 2006). اما معیشت جمعیت قابل توجهی در ناحیه زاگرس به ­این مناطق جنگلی وابسته است، بنابراین یکی از موضوعات مهم در ­این رابطه، طول دوره مدیریت حفاظتی خواهد بود، از طرف دیگر طول دوره مدیریت حفاظتی در تغییرات خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک و پوشش گیاهی مؤثر است (Binkley et al., 2003; Kenneth et al., 2004; Pei et al., 2008). شناسایی و کشف تغییرات حاصل از تخریب و روش­های مختلف مدیریت بر منابع طبیعی می‌تواند به مدیران و برنامه‌ریزان کمک کند تا نتایج حاصل از تغییر کاربری اراضی، تخریب و مدیریت را شناسایی کرده و برای کنترل آنها برنامه‌​ریزی مفید و مؤثر داشته باشند. جنگل‌های منطقۀ زاگرس در سال­های اخیر به­دلیل دخالت‌های بی رویه انسان و وابستگی مردم به ­این منابع دستخوش تغییرات زیادی شده است. دامداری یکی از مشاغل اصلی مردم زاگرس و از طرفی از عوامل اصلی تخریب این اکوسیستم است. دام بر خاک اثر مستقیم و غیر­مستقیم دارد، با توجه به­شدت چرا، نوع دام و طول مدت چرا خصوصیات مختلف جنگل تحت تأثیر قرار می‌گیرد(Olofsson & Osaken, 2002، Barrio, 2007). قطع درختان نیز به­عنوان یکی دیگر از مؤلفه­های تخریب، در تخریب خاک جوامع جنگلی زاگرس ایفای نقش می­کند. روند افزایشی قطع درختان در طی دهه­های اخیر سبب شد تا خاک جنگلی در بیشتر مناطق جنگل‌های زاگرس به­طور کلی از بین رفته و سنگ مادری نمایان شود (Mohadjer, 2005)، این در­حالیست که حتی حفاظت از درختان منفرد تأثیر مهمی روی حاصلخیزی خاک در مناطق با خاک ضعیف و دوره خشک تابستان خواهد داشت (Gallardo et al., 2000; Moreno et al., 2007). دخالت‌های انجام شده که به­طور عمده با هدف تأمین نیازهای اولیه زندگی انجام می‌گیرد، موجب تغییرات زیادی از ­نظر تاج پوشش (Nekooimehr et al., 2006) و خصوصیات خاک شده است (Salehi et al., 2011). تحقیقات نشان می‌دهد که تاج پوشش اشکوب فوقانی و به­دنبال آن خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک در اثر سابقه سوء مدیریت و تخریب دچار تغییر می‌شود (;Moreno et Camping et al., 2002 al., 2007;Kenneth et al., 2004). در تحقیقی که در ­مورد تأثیر تاج پوشش و چرا بر روی وزن مخصوص ظاهری خاک انجام شد، نتیجه­گیری شد که وزن مخصوص ظاهری در زیر تاج پوشش درختان در مقایسه با مراتع باز 23/0 تا 30/0 گرم بر سانتی­متر مکعب پایین‌تر می‌باشد. همچنین وزن مخصوص ظاهری بین رویشگاههایی که برای 26 و 6 سال چرا نشده بودند، اختلافی نداشتند. رویشگاههایی که به­طور مداوم دارای چرای دام بودند نسبت به مناطقی که برای 26 و 6 سال چرا نشده بودند بین 37/0 تا 47/0 گرم بر سانتی­متر مکعب وزن مخصوص ظاهری بالاتری داشتند(Kenneth et al., 2004). بین روش مدیریت، حاصلخیزی خاک، رویش درختان و مقدار زیتوده نیز رابطه مستقیم وجود دارد (Arias, 2007). نتایج بررسی Kirby (2007) در یک منطقۀ جنگلی در پاناما نشان داد که میزان زیتوده گیاهی در جنگل­های مدیریت شده حدود دو برابر جنگل­های با مدیریت سنتی است. از نشانه‌های بارز و اولیه تخریب، تغییر تاج پوشش اشکوب درختی و درختچه­ای و در نهایت پوشش گیاهیست. به­عبارت دیگر، تخریب و یا مدیریت­های مختلف جنگل علاوه بر تأثیر مستقیم بر خاک با تغییر یا تخریب پوشش گیاهی، به­طور غیر­مستقیم بر خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک اثر خواهند گذاشت و این روابط کاملا با هم ارتباط دارند (Peichl, 2006; Wang, 2007). Johnson & Inverson (2001) نشان دادند که تخریب در مناطق جنگلی حاره­ای به­طور مؤثری بر تغییر خصوصیات شیمیایی خاک تأثیر داشته و شدت تخریب همبستگی مثبت معنی­داری را با کاهش میزان عناصر کلسیم، پتاسیم و فسفر، ازت و کربن آلی به­عنوان عناصر غذایی ضروری رشد گیاهان نشان می‌دهد. Tárrega et al. (2009) در بررسی تأثیر شدت تخریب بر سه تیپ بلوط (Q. pyrenaica) با سوابق مدیریتی مختلف در اسپانیا نشان دادند که نحوه مدیریت نقش تعیین‌کننده­ای بر خصوصیات خاک داشته و میزان حاصلخیزی خاک در تیپ با مدیریت حفاظتی به­علت افزایش درجه تراکم پوشش گیاهی و در نتیجۀ افزایش یافتن میزان مواد آلی و کاتیون­های تبادلی خاک و کاهش یافتن میزان فرسایش خاک، بهبود می‌یابد. اثر مثبت مدیریت حفاظتی (به­ویژه در مقابل دام) بر خصوصیات خاک در مطالعات دیگر محققان نیز اثبات شده است (Binkley et al., 2003; Barrio, 2007). Strandberg (2005) نشان داد که مدیریت حفاظتی، مواد غذایی قابل دسترس خاک را افزایش می‌دهد. طول دوره مدیریت نیز می‌تواند در تغییرات خصوصیات خاک مؤثر باشد. (Pei et al. (2008 اثر چرا بر خصوصیات خاک و تغییرات پوشش گیاهی تحت سه روش مدیریتی را بررسی کردند. نتایج نشان داد که کربن آلی خاک و ازت کل در عمق 0-20 سانتی­متری خاک به­طور معنی­داری با دوره قرق افزایش یافته، به ‌طوری‌که کربن آلی 22% و ازت کل 14% در منطقۀ قرق 6 ساله بالاتر از منطقه دارای چرای مداوم در تمام طول سال است؛ اما وزن مخصوص ظاهری با افزایش دوره حفاظت کاهش یافته است. از آنجایی که پایداری طولانی مدت اراضی جنگلی وابسته به حفظ کیفیت خاک می‌باشد، ازاین‌رو تعیین اثر مدیریت­های مختلف انجام شده و تخریب­های موجود بر خصوصیات خاک بسیار مهم خواهد بود. با تعیین این اثرها می­توان راهکار مدیریتی صحیح‌تری را به­منظور جلوگیری از تخریب و بازگشت نسبی خصوصیات خاک به­حالت اولیه اتخاذ کرد. از طرف دیگر، تعیین خصوصیاتی که بتوانند در راستای تخریب و مدیریت­های مختلف بیانگر کیفیت خاک باشد از اهمیت بالایی برخوردار است، زیرا شاخص­هایی که نسبت به تغییر مدیریت حساسیت نشان نمی‌دهند برای ارزیابی کیفیت خاک مناسب نیستند (Doran & Parkin, 1996). هرچند بررسی­های مختلفی در مورد اثر مدیریت و عدم مدیریت بر خاک در اکوسیستم­های جنگلی و مرتعی در دنیا انجام شده است (Tárrega, et al., 2009; Steffens et al., 2008)، اما متأسفانه تحقیقات بسیار کمی در ­این خصوص در ناحیه زاگرس انجام شده است. اتخاذ هر روش مدیریتی برای احیاء مناطق تخریب یافته به­این معنا نخواهد بود که این روش به­طور مطلق می‌تواند مؤثر واقع شود، بلکه باید طی دوره‌های زمانی مختلف وضعیت این خاکها بررسی و کنترل شده تا میزان موفقیت یا عدم موفقیت این روشها مشخص شود. با چنین رویکردی تحقیق حاضر با روش خوشه­بندی دو مرحله­ای انجام شد تا مهمترین عوامل مؤثر و مشترک بین هر خوشه از قطعات نمونه به­ترتیب اهمیت و نیز جهت اثر آنها مشخص و به­عبارتی دیگر اثر مدیریت حفاظتی کوتاه و بلند­مدت در مقایسه با تخریب بر خصوصیات فیزیکی و شیمیایی تعیین شود. این روش ابزار اکتشافی مفیدی است که برای آشکار کردن گروه­های (خوشه‌های) ذاتی و طبیعی موجود در مجموعۀ داده­­ها که به­طور معمول دیده نمی‌شوند، طراحی شده است. وجه تمایز الگوریتم موجود در ­این رویه با فنون سنتی خوشه­بندی این است که این روش قابلیت خوشه­بندی بر­اساس متغیرهای گسسته (رسته­ای) و پیوسته را دارد و همچنین انتخاب تعداد خوشه‌ها خودکار بوده و قابلیت تحلیل کارآمد فایل داده­های بسیار بزرگ را دارد.

مواد و روش‌ها

منطقه مورد مطالعه

داده­های سه منطقۀ 100 هکتاری از جنگل­های بلوط با شرایط دخالت و مدیریت متفاوت شامل مدیریت حفاظتی 5 و 20 ساله و بدون مدیریت یا تخریب شده، در سال 1390 در شهرستان ایلام انتخاب شد (شکل1). بر­اساس اطلاعات موجود در اداره کل منابع طبیعی ایلام و مصاحبه با کارشناسان و افراد بومی مشخص شد که مناطق مدیریت شده 5 و 20 ساله تا قبل از شروع سال مدیریت نیز وضعیت مشابهی با منطقۀ تخریب شده داشتند. اطلاعات اخذ شده از عکس­های هوایی سال 1343 و نظرات افراد بومی و کارشناسان بیانگر آن است که عرصه­های مزبور قبل از تخریب در زمره جنگل­های انبوه و با کیفیت بلوط قرار داشتند (Jafarzadeh et al., 2012). تیپ­های مزبور در شرایط یکسان فیزیوگرافی با شیب 10 درصد قرار داشته و گونۀ درختی غالب آنها بلوط ایرانی است. متوسط میزان بارندگی و درجه حرارت سالانه به­ترتیب 4/590 میلی­متر و 1/17 درجه سانتی­گراد است. اقلیم مناطق مورد بررسی براساس اقلیم نمای آمبروژه، از نوع مدیترانه­ای سرد است (Arekhi, et al. 2010).

شکل1- موقعیت مناطق مورد مطالعه در شهرستان ایلام

روش تحقیق

به­منظور بررسی تأثیر نوع مدیریت بر روی خصوصیات فیزیکی- شیمیایی خاک، تعداد 50 نمونه خاک با استفاده از یک مته اوگر به­قطر پنج سانتی­متر در هر یک از تیپ­های سه­گانه برداشت شد. برای این منظور یک شبکه آماربردای 200×100 متر در هر تیپ طراحی شد و در مراکز شبکه (محل تلاقی اضلاع شبکه) نمونه‌برداری خاک به­روش ترکیبی (Maranon et al., 1999) با برداشت سه نمونه خاک در هر نقطه و ترکیب آنها با یکدیگر و استخراج یک نمونه خاک انجام شد. در مجموع در هر تیپ تعداد 50 نمونه خاک استخراج شد. بافت خاک به­روش هیدرومتری (Bouyoucos, 1927)، وزن مخصوص ظاهری به­روش سیلندر (Blake & Hartage, 1986)، رطوبت خاک به­روش وزنی (Famiglietti et al., 1998)، اسیدیته و شوری خاک به­ترتیب به­وسیلۀ دستگاه pH متر و دستگاه هدایت الکتریکی سنج (Kalra & Maynard, 1991)، میزان کربن آلی به­روش والکلی و بلک (Black, 1979)، ظرفیت تبادل کاتیونی با گرفتن عصاره خاک با محلول کلرید آمونیم و شستشو با اتانول و استفاده از دستگاه ICP-AES (Kalra & Maynard, 1991)، فسفر قابل دسترس از روش Bray & Kurtz (1945) نیتروژن قابل جذب (آمونیم و نیترات) با استفاده از عصاره‌گیری نمونه­ها به­نسبت 1 به10 خاک و محلول 2 مول کلرید پتاسیم و دستگاه Auto Analyzer (Bray & Kurtz, 1945)، نیتروژن کل به­روش کجلدال (Bremmer & Mulvaney, 1982)، پتاسیم و منیزیم محلول با استفاده از روش عصاره‌گیری با استات آمونیوم یک مولار با اسیدیته 7 (Thomas, 1982) و آهک به­روش تیتراسیون (Jafari Haghighi, 2003) اندازه­گیری شدند. فسفر کل به­روش هضم دو اسید (Sommers & Nelson, 1997) و پتاسیم کل به­روش فلم فتومتری (Bastida et al., 2007) اندازه­‌گیری شدند.

روش تجزیه و تحلیل داده­ها

ابتدا قطعات نمونه مناطق مورد نظر به­روش خوشه­بندی سلسله­مراتبی بر­اساس عوامل فیزیکی و شیمیایی خاک گروه­بندی شدند. در مرحله بعد با خوشه­بندی دو مرحله­ای مرکز ثقل میانگین کل داده­های سه منطقه برای هر متغیر خاک و حد بالا و پایین خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک در هر خوشه محاسبه شد. در نمودار مربوط به خوشه­بندی بر­اساس عوامل محیطی، متغیرها به­صورت نزولی بر­اساس اهمیت شان روی محور Y نشان داده می‌شوند. خط­چین­های عمودی مقادیر بحرانی برای تعیین اهمیت هر متغیر را علامت‌گذاری می‌کنند. بدین معنی که زمانی که مقدار آماره t برای یک متغیر (چه در جهت مثبت و چه در جهت منفی) بزرگتر از خط بحرانی یا خط‌چین عمودی باشد آن متغیر مهم است، یعنی در تشکیل آن خوشه مؤثر بوده است. اگر طول ستون مربوط به هر متغیر یا کمتر از خط بحرانی باشد، بدین معنی است که آن متغیر یا متغیرها در تشکیل خوشه اهمیتی نداشته است. همچنین اگر مقدار t مثبت باشد، نشان­دهندۀ آن است که میانگین آن متغیر، بزرگتر از مقادیر میانگین خوشه است و بعکس. همچنین میانگین سطح معنی­داری و انحراف معیار خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک در تیپ­های سه­گانه بر­اساس تجزیه واریانس و آزمون چند دامنه­ای دانکن تحلیل شد. برای انجام آزمون­های آماری از نرم­افزار  SPSSاستفاده شد.

نتایج

نتایج خوشه­بندی به­روش سلسله­مراتبی براساس خصوصیات فیزیکی- شیمایی خاک تعداد 150 قطعه نمونه نشان داد که تعداد سه گروه مشخص در سطح منطقه قابل تفکیک و تمایز است. بر­اساس نتایج آنالیز خوشه­بندی، بیش از 85 درصد قطعات نمونه خوشه اول، دوم و سوم به­ترتیب مربوط به منطقۀ کاربری سنتی یا فاقد مدیریت، مدیریت حفاظتی 5 و 20 ساله است. نتایج خوشه­بندی دو­مرحله­ای نشان داد که خصوصیاتی مانند ماده آلی، درصد رطوبت اشباع، درصد رس، ازت آمونیمی، ازت نیتراته و پتاسیم قابل جذب با تغییر مدیریت، به­ترتیب از خوشه مربوط به کاربری سنتی یا فاقد مدیریت (تخریب) به مدیریت حفاظتی 5 و 20 ساله روند صعودی منظمی دارند (شکل2). یعنی، بیشترین مقدار آنها در منطقه با مدیریت 20 ساله دیده می‌شود. اما شوری خاک، کلسیم تبادلی، آهک و شن، وزن مخصوص ظاهری و فسفر کل روند کاملا نزولی دارند (شکل2). همچنین اسیدیته خاک در خوشه مدیریت 20 ساله بیشترین مقدار را دارد ولی بین دو خوشه دیگر اختلاف معنی­داری وجود ندارد (شکل2). فسفر قابل جذب، سیلت، ازت کل و پتایسم کل در منطقۀ مدیریت 5 ساله بیشترین مقدار است (شکل2). نتایج مقایسه میانگین خصوصیات خاک بر­اساس آزمون چند دامنه­ای دانکن نیز دقیقا نتایج بالا را تأیید می​کرد (جدول1). همچنین نمودار اهمیت بر حسب متغیر برای هر خوشه در شکل3 نشان داده شده است.

جدول1- میانگین، سطح معنی­داری و انحراف معیار خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک در بین مناطق بر­اساس تجزیه واریانس و آزمون چند دامنه­ای دانکن تیپ­های مدیریتی

شکل2- مرکز ثقل، حد بالا و پایین خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک در هر خوشه، 1- بدون مدیریت و تخریب شده، 2- مدیریت حفاظتی 5 ساله و 3- مدیریت حفاظتی 20 ساله

بر­این اساس، در خوشه اول (منطقۀ تخریب شده) پایین بودن ماده آلی، ازت آمونیمی، فسفر قابل جذب، ازت نیتراته، ظرفیت تبادل کاتیونی، رس، پتاسیم قابل جذب، سیلت، رطوبت اشباع و منیزیم و بالا بودن وزن مخصوص ظاهری، شوری، فسفر کل، کلسیم، شن و آهک به­عنوان مهمترین عوامل مؤثر در تفکیک و تمایز گروه مزبور از دیگر گروه­ها محسوب شده و در ­این ارتباط دو عامل اسیدیته و پتاسیم کل در ­این منطقه اهمیت کمی دارند. در واقع مقادیر اسیدیته و پتاسیم کل به­عنوان یک ویژگی مشترک در بین قطعات نمونۀ منطقۀ تخریب شده قلمداد نمی‌شوند. به­طورکلی می­توان بیان کرد که پایین بودن مقدار ماده آلی و ازت آمونیمی و بالا بودن وزن مخصوص ظاهری و شوری به­عنوان مهمترین نشانه­های منطقۀ تخریب یافته محسوب می‌شوند. در خوشه دوم (مدیریت 5 ساله) پایین بودن میزان ماده آلی، فسفر قابل جذب، ظرفیت تبادل کاتیونی، منیزیم تبادلی، ازت آمونیمی، وزن مخصوص ظاهری، رس، درصد رطوبت اشباع، اسیدیته خاک به­همراه بالا بودن میزان ازت نیتراته، ازت کل، سیلت، درصد آهک و  فسفر کل از خصوصیات بارز و مؤثر در تشکیل این گروه بوده و در این ارتباط ویژگی­های شوری خاک، فسفر کل، شن و کلسیم تبادلی به­عنوان ویژگی مشترک و بارز در تفکیک و تمایز منطقۀ حفاظت شده 5 ساله در تحلیل خوشه­ای مطرح نیستند. در این منطقه، پایین بودن ماده آلی و بالا بودن ازت نیتراته و ازت کل مهمترین نشانه­های مشترک خاک پس از 5 سال مدیریت هستند. شایان ذکر است که مقدار وزن مخصوص ظاهری خاک در منطقۀ حفاظت شده 5 ساله نسبت به منطقۀ تخریب شده کاهش یافته است. در خوشه سوم (مربوط به منطقۀ مدیریت 20 ساله) بالا بودن ازت آمونیمی، درصد رس و فسفر قابل جذب، منیزیم، ماده آلی، درصد رطوبت اشباع، ظرفیت تبادل کاتیونی، اسیدیته خاک و پتاسیم قابل جذب و پایین بودن آهک، کلسیم، وزن مخصوص ظاهری، شوری، ازت کل، فسفرکل و درصد شن به­عنوان مهمترین عوامل محسوب می‌شوند. پتاسیم کل، سیلت و ازت نیتراته از ویژگی­هایی هستند که در ­این خوشه اهمیتی نداشتند. به­طورکلی در منطقۀ مدیریت حفاظتی 20 ساله، بالا بودن ازت آمونیمی، رس و فسفر قابل جذب و پایین بودن آهک به­عنوان خصوصیات بارز مشترک محسوب می‌شوند.

شکل3- اهمیت متغیرها در هر گروه بر­اساس آزمون تحلیل دومرحله­ای

بحث

به­منظور دستیابی به مدیریت پایدار اراضی و بهبود کیفیت آنها، ارزیابی کمّی عوامل و شاخص‌های مؤثر در پایداری اراضی ضروریست (Mohammadi et al,2008). خصوصیات خاک از­جمله مهمترین عوامل تعیین‌کنندۀ پایداری اکوسیستم­های جنگلی هستند. نتایج خوشه­بندی دو­مرحله­ای در ­این تحقیق نشان داد که خصوصیاتی مانند ماده آلی، ازت کل، درصد رطوبت اشباع، ازت آمونیمی، ازت نیتراته، ظرفیت تبادل کاتیونی و پتاسیم قابل جذب با تغییر مدیریت به‌ترتیب از خوشه مربوط به کاربری سنتی یا فاقد مدیریت، مدیریت حفاظتی 5 و 20 ساله روند صعودی منظمی دارند، و بیشترین مقدار آنها در منطقۀ با مدیریت 20 ساله دیده می‌شود. در نقطه مقابل شوری خاک، کلسیم تبادلی، آهک، وزن مخصوص ظاهری و فسفر کل روند کاملا نزولی دارند. همچنین نمودار اهمیت بر حسب متغیر برای هر منطقه نشان داد که از بین عوامل مختلف مورد بررسی، پایین بودن مقدار ماده آلی و ازت آمونیمی به­همراه بالا بودن وزن مخصوص ظاهری و شوری به­عنوان مهمترین نشانه­های منطقۀ تخریب یافته محسوب می‌شوند. در منطقۀ مدیریت 5 ساله، پایین بودن ماده آلی و ازت کل به­همراه بالا بودن ازت نیتراته به­عنوان مهمترین نشانه­های مشترک خاک پس از اجرای یک دوره 5 ساله مدیریت در منطقه محسوب می‌شوند.در واقع پس از 5 سال حفاظت برخی خصوصیات خاک تغییر ناگهانی داشته‌اند که بارزترین آن افزایش ازت نیتراته است. بنابراین به­نظر می‌رسد حفاظت کوتاه­مدت توانسته است شدت معدنی شدن ازت را در اثر افزایش فعالیت موجودات خاکزی و دیگر شرایط مناسب خاک، بهبود دهد. در منطقۀ مدیریت حفاظتی 20 ساله، بالا بودن ازت آمونیمی، فسفر قابل جذب، ازت کل و ماده آلی به­عنوان مهمترین ویژگی فیزیکی- شیمیایی خاک محسوب می‌شوند که رفتار درون گروهی آنها (مقادیر آنها در قطعات نمونه این گروه) مشابه بوده ولی رفتار بین گروهی آنها کاملا متفاوت است. بر­این اساس، خصوصیات مزبور به­عنوان مهمترین وجه تمایز مدیریت حفاظتی 20 ساله با دو منطقۀ دیگر معرفی می‌شوند. درصد تاج پوشش به­عنوان مهمترین خصوصیات کمی در جنگل­های زاگرس، به­علت قطع و سرشاخه زنی درختان، کاهش معنی­داری را در مناطق دست خورده نسبت به مناطق کمتر دست‌خورده داشت (Yousefi et al.,2003). بررسی مناطق مورد مطالعه نشان می­دهد که با افزایش تخریب، تاج پوشش اشکوب درختی باز شده است. تاج پوشش بر روی ورودی ماده آلی و شرایط تجزیه آن، میزان پوشش علفی، حفاظت و فرسایش خاک اثر می‌گذارد و در نهایت خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک را تحت تأثیر قرار می­دهد (Sabau et al., 2010; Yimer et al., 2007; Sanchez-Maranon et al., 2002).Camping et al. (2002)  در ارتباط با تأثیر درختان بلوط بر روی خصوصیات خاک بیان کردند که درختان بلوط آبی (Q. douglasii) در اراضی جنگلی و ساوانای بلوط، توانایی قابل توجهی را در ایجاد مناطقی با حاصلخیزی بالا، در زیر تاج پوشش خود دارا هستند. در مقایسه با مراتع باز مجاور، خاک­های زیر تاج پوشش درختان بلوط تراکم حجمی کمتر، میزان بیشتری از کربن آلی، کربن و نیتروژن میکروبی، ازت معدنی و فسفر قابل دسترس را دارا می‌باشند. مقدار ازت خاک رابطه مستقیم با مواد آلی دارد (Sanchez-Maranon et al., 2002) و افزایش ازت با اعمال مدیریت حفاظتی در منطقۀ مورد مطالعه می‌تواند به­این دلیل باشد. همچنین زراعت و شخم خاک به­همراه چرای دام در منطقۀ تخریب شده تأثیر منفی بر خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک گذاشته است. افزایش قرق موجب بهبود پوشش گیاهی می‌شود و مقدار ماده آلی را افزایش می­دهد، از طرفی عملیات کشاورزی و خاک ورزی تهویه را بهبود داده و با افزایش سرعت تجزیه، مقدار ماده آلی را کاهش می­دهد (Fatolahi & Khajehden, 2001). بنابراین کاهش ماده آلی علاوه بر کمبود منابع تأمین ماده آلی، می‌تواند به­علت تجزیه سریع ماده آلی در منطقۀ تخریب شده و یا حتی منطقۀ مدیریت حفاظتی پنج ساله باشد. افزایش تراکم حجمی خاک و کاهش ماده آلی به­عنوان منبع ازت در اثر تخریب می‌تواند موجب ایجاد شرایط غیر هوازی در خاک شود. این موضوع خود می‌تواند سبب کاهش فعالیت میکروبی و وارد آمدن صدمات مختلفی بر عواملی همانند میزان ازت دهی و در طی آن کاهش عناصر غذایی قابل جذب توسط گیاه شود و در مجموع می‌تواند اثر­های زیان­آوری بر قابلیت رویشی گیاه داشته باشد (Greacen & Sands, 1980). Ajami et al. (2010) در بررسی تغییرات عوامل مختلف کیفیت خاک در نتیجه تغییر کاربری،‏ اراضی لسی و شیب‌دار شرق استان گلستان واقع در حوضۀ آبخیز آق​سو، نشان دادند که تغییر کاربری موجب هدر­رفت ذرات رس خاک، کاهش ماده آلی و ازت خاک و افزایش وزن مخصوص ظاهری می‌شود که نتایج تحقیق حاضر می​باشد. بالا بودن مقدار رس در منطقۀ مدیریت حفاظتی20 ساله حفاظت شده و کاهش آن در دو منطقۀ دیگر می­تواند به­علت فرسایش شدید سطحی و هدر رفتن رس باشد. نتایج پژوهشKhormali & Shamsi (2009)  مبنی بر تغییر بافت خاک در اثر تغییر کاربری اراضی و کاهش قابل توجه رس خاک و در عوض، افزایش مقدار سیلت در بافت خاک نیز مؤید همین مطلب است. در تحقیق حاضر کاهش مقدار رطوبت اشباع در منطقۀ تخریب شده می‌تواند به­دلیل کمبود ماده آلی و مقدار ذرات رس خاک باشد. چون خاک رسی در مقایسه با خاک لومی و بخصوص شنی ظرفیت نگهداری مقدار آب بیشتری دارد (Shahoei, 2007). مواد آلی نیز با شرکت در ساختمان کلوئیدی خاک ضمن اتصال ذرات خاک با یکدیگر، میزان آب قابل نگهداری توسط خاک را افزایش می­دهد (Zarrinkafsh, 2002). بنابراین به­نظر می‌رسد بالا بودن میزان پتاسیم قابل تبادل در منطقۀ مدیریت حفاظتی 20 ساله می‌تواند به­علت اثر مستقیم بالا بودن ظرفیت تبادل کاتیونی این منطقه باشد که این مسئله خود ناشی از بالا بودن میزان مواد آلی و ذرات رس در خاک این منطقه نسبت به دو منطقۀ دیگر است. نتایج بررسی­های (Dahlgren et al., 2003; Dahlgren et al, 1997) نیز این موضوع را تأیید می­کند. کاهش عمق خاک، افزایش انحلال سنگ آهک و در نهایت افزایش درصد آهک خاک در منطقۀ بدون مدیریت را می­توان به بالا بودن شدت فعالیت­های تخریبی مانند شخم خاک و چرای دام در ­این منطقه نسبت داد که همواره به­دلیل افزایش میزان آبشویی و فرسایش خاک منجر به کاهش میزان حاصلخیزی خاک می‌شوند (Mohammadi et al., 2011). نتایج این تحقیق همچنین تصریح می­کند که متوسط مقادیر ازت نیتراته و آمونیمی در هر دو منطقۀ حفاظت شده 5 ساله و 20 ساله نسبت به منطقۀ تخریب شده در سطح بالاتری قرار دارد که دلیل آن را می­توان ضمن تأثیر مثبت حفاظت در افزایش درصد پوشش گیاهی علفی و در نتیجه افزایش یافتن میزان ماده آلی و ازت خاک استناد کرد، بلکه به کاهش یافتن میزان تخریب و در نتیجه کاهش آبشویی ازت خاک در مناطق حفاظت شده نسبت  داد (Dahlgren & singer,1991). نتایج این تحقیق همچنین نشان داد که با افزایش تخریب، میزان شوری خاک افزایش پیدا کرده است و در مناطق حفاظت شده مقدار شوری به‌مراتب کمتر است. در واقع قطع بی رویه درختان و دیگر پوشش­های گیاهی به­همراه چرای بی رویه دام، خشک زایی منطقه در نواحی تخریبی را تشدید کرده که این امر سبب می‌شود تا میزان تبخیر افزایش یافته و در نتیجه تمایل به شوری زیاد شود (Jafari & Sarmadian, 2003). در خصوص بالا بودن وزن مخصوص ظاهری در منطقۀ بدون مدیریت نسبت به دو منطقۀ حفاظت شده باید گفت که تردد دام و دیگر عوامل تخریب کننده موجب فشرده شدن خاک و کاهش ماده آلی می‌شوند که این مسئله افزایش وزن مخصوص ظاهری خاک را به­همراه دارد (Sarah et al., 2005; Li et al., 2011). به­طورکلی نتایج تحقیق حاضر نشان می­دهد که با توجه به حساس بودن ناحیه رویشی زاگرس، مدیریت حفاظتی کوتاه­مدت نتوانسته شرایط خاک منطقه را چندان بهبود دهد. اما مدیریت حفاظتی بلند­مدت تغییرات قابل توجهی را در افزایش کیفیت خاک موجب شده است. همچنین در­ بین خصوصیات مختلف فیزیکی و شیمیایی خاک برای ارزیابی اثر مدیریت کوتاه و بلند­مدت در جنگل­های زاگرس، ماده آلی، وزن مخصوص ظاهری، رس و ازت خاک شاخص­های مناسب­تری هستند. در این رابطه (2008) Mohammadi et al. با بررسی تغییرپذیری کیفیت خاک سطحی در اکوسیستم‌های انتخابی در منطقۀ زاگرس مرکزی نشان دادند که ماده آلی و ازت کل معیارهای مناسبی برای ارزیابی کیفیت خاک در دو مدیریت حفاظت و عدم حفاظت هستند. Kay (1990) اعتقاد دارد که بافت خاک حساسیت کمی به تغییرات مدیریت دارد ولی جرم مخصوص ظاهری شاخص مناسبی برای برآورد وضعیت فیزیکی خاک است.

منابع مورد استفاده

References

- Ajami, M., Khormali, F. and Ayoby, SH. A., 2010. The changes in some soil quality parameters due to land use change in different situations loess slope land in east Golestan province. Iranian Journal of Soil and Water Research, 39(1):15-30.

- Arekhi, S., Heydari, M. and Poorbabaei, H., 2010. Vegetation-environmental relationships and ecological species groups of the Ilam Oak forest landscape, Iran. Caspian Journal of Environmental Sciences, (8)2: 115-125.

- Arias, D., 2007. Calibration of LAI-2000 to estimate leaf area index and assessment of its relationship with stand productivity in six native and introduced tree species in Costa Rica. Forest Ecology and Management, 247: 185-193.

- Barrio, A. P., 2007. Effects of cattle grazing on woodland soil health at Hatfield. MSc thesis, School of Applied Sciences of Cranfield University, 84 P.

- Bastida, F., Moreno, J.L., Hernández, T. and García, C., 2007. The long-term effects of the management of a forest soil on its carbon content, microbial biomass and activity under a semi-arid climate. Applied Soil Ecology, 37(1–2): 53–62

- Binkley, D., Singer, F., Kaye, M. and Rochelle, R., 2003. Influence of elk grazing on soil properties in Rocky Mountain National Park. Journal of Forest Ecology and Management, 185: 239-247.

- Black, C.A., 1979. Methods of soil analysis. American Society of Agronomy, 2: 771-1572.

- Blake, G.R. and Hartage, K.H., 1986. Bulk density: 363-367. In: A. Klute (ed.) Methods of soil Analysis, Part 1, Physical and Mineralogical Methods. Agronomy Monograph 9 (2nd Edition).

- Bouyoucos, G.J., 1927. The hydrometer as a new method for the mechanical analysis of soils. Soil Science, 23: 343-353.

- Bray, R.H. and Kurtz, L.T., 1945. Determination of total organic and available forms of phosphorus in soils. Soil Science, 59: 39-45.

- Bremmer, J.M. and Mulvaney, C.S., 1982. Nitrogen total. In: Page AL et al. (eds) Methods of soil analysis, Part 2, Chemical and microbiological properties 9. American Society of Agronomy, Inc., Madison: 595-624.

- Camping, T. J., Dahlgren, R. A., Tate, K. W. and Horwath, W. R., 2002. Changes in soil quality due to grazing and oak tree removal in California blue oak woodlands. In: Standiford, R.B, McCreary, D. and Purcell, K.L. (eds.). Oaks in California’s Changing Landscape. Berkeley, CA: USDA Forest Service General Technical Report, PSW-GTR-184: 75-85.

- Dahlgren, R. and Singer, M.J., 1991. Nutrient cycling in managed and unmanaged oak woodland grass ecosystems. Symposium on Oak Woodlands and Hardwood Rangeland Management. General Technical Report, PSW-126, USDA Forest Service Pacific Southwest Research Station, Albany, CA: 337-341.

- Dahlgren, R.A., Singer, M.J. and Huang, X., 1997. Oak tree and grazing impacts on soil properties and nutrients in a California oak woodland. Biogeochemistry, 39: 45-64.

- Dahlgren, R.A., Horwath, W.R., Tate, K.W. and Camping, T.J., 2003. Blue oak enhance soil quality in California oak woodlands. California Agriculture, 57(2): 42-47.

- Doran, J. W. and Parkin, T. B, 1996. Quantitative indicators of soil quality: a minimum data set. In: Doran, J. W. and Jones, A.J. (Eds.), Methods for Assessing Soil Quality. Soil Science Society of America, Special Publication, 49: 25–37.

- Anonymous, 2006. Global forest resource assessment 2005, Progress toward sustainable forest management, FAO Forestry Paper 147, FAO, Rome, Italy, 320p.

- Famiglietti, J., Rudnicki, J. and Rodell, M., 1998. Variability in surface moisture content along a hillslope transect: Rattlesnake Hill, Texas. Journal of Hydrology, 210: 259– 281.

- Fatolahi, H. and Khajehden, J., 2001. Inappropriate use of land in different years and its effect on the deposition rate, physical properties and erodibility in Bazoft watershed in Chahar Mahal and Bakhtiari. MSc Thesis, Faculty of Agriculture, Isfahan University, 120 p.

- Gallardo, A., Rodrı´guez-Saucedo, J.J., Covelo, F. and Ferna´ ndez-Ale´s, R., 2000. Soil nitrogen heterogeneity in a Dehesa ecosystem. Plant Soil, 222: 71–82.

- Greacen, E.L. and Sands, R., 1980. Compaction of forest soils: a review. Australian Journal of Soil Resources, 18: 163-189.

- Heidari, M., Attar Roshan, S. and Hatami, KH., 2011. The evaluation of herb Layer biodiversity in relation to physiographical factors in south of Zagros forest ecosystem (Case study: Dalab protected area). Journal of Renewable Natural Resources, 1(2): 28-42.

- Jafari, M. and Sarmadian, F., 2003. Fundamental of Soil Science and Soil Taxonomy, University of Tehran Press, 788 p.

- Jafari Haghighi, M., 2003. Method of soil analysis sampling and important physical & chemical analysis with emphasis on theoretical & applied principles. Nedaye zohi, Tehran, 236 p.

- Jafarzadeh, A.A., Oladi, J., Jalilvand, H. and Jafari, M. R., 2012. Modeling Zagros forests degradation using RS and GIS, case study Ilam city. MSc thesis, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University, 100 p.

- Johnson, C.M. and Iverson, L., 2001. Nutrient storage primary and secondary horsts in eastern Amazonia. Forest Ecology and Management, 231: 59-65.

- Kalra, Y.P. and Maynard, D.G., 1991. Methods manual for forest soil and plant analysis. Forestry of Canada, Northwest Region, Northern Forest Center, Edmonton, AB. Information Report, NOR-X-311, 116 p.

- Kay, B.D., 1990. Rates of change of soil structure under different cropping systems. Advance in Soil Science, 12: 1–52.

- Kenneth, W. T., Dennis, M. D., Neil, K. M. and Melvin, R. G., 2004. Effect of canopy and grazing on soil bulk density. Journal of Range Management, 57: 411-417.

- Khormali, F. and Shamsi, S., 2009 Investigation of the quality and micromorphology of soil evolution in different land uses of a loess hillslope of Golestan province, a case study in Ghapan region. Journal of Agricultural Sciences and Natural Resources, 16(3): 14-26.

- Kirby, R., 2007. Variation in carbon storage among tree species; implications for the management of a small-scale carbon sink project. Forest Ecology and Management, 247: 84-92.

- Li, Y., Zhao, H., Zhao, X., Zhang, T., Li, Y. and Cui, J., 2011. Effects of grazing and livestock exclusion on soil physical and chemical properties in desertified sandy grassland, Inner Mongolia, northern China. Environmental Earth Sciences, 63(4): 771-783.

- Maranon, T., Ajbilou, R., Ojeda, F. and Arroya, J., 1999. Biodiversity of woody species in oak woodland of southern Spain and northern Morocco. Forest Ecology and Management, 115: 147-156.

- Mohadjer, M., 2005. Silviculture. Tehran University Press, No 2709, 387 p.

- Mohammadi, J., Khademi, H. and Nael, M., 2008. Variability of surface soil quality in Selected Ecosystems in the Central Zagros region. Journal of Science and Technology of Agriculture and Natural Resources. 9(3):105-120.

- Mohammadi, A., Salehi, A., Naghdi, R. and Karamean, R., 2011. Study and Comparison some of the most important physical, chemical and mechanical soil properties in the disturbed and undisturbed woodland area in the Zagros region (Case study: woodland area in Poledokhtar/Southwest of Iran). MSc. Thesis, Faculty of Natural resources, Guilan University, 75 p.

- Moreno, G., Obrador, J. J. and Garcia, A., 2007. Impact of evergreen oaks on soil fertility and crop production in intercropped dehesas. Agriculture, Ecosystems and Environment, 119: 270–280.

- Nekooimehr, M., Rafatnia, N., Raisian, R., Jahanbazi, H., Talebi, M. and Abdolahi, KH., 2006. Impact of road construction on forest destruction in Bazoft region. Iranian Journal of Forest and Poplar Research, 14(3): 228-243.

- Olofsson, J. and Osaken, L., 2002. Role of litter decomposition for the increased primary production in areas heavily grazed by reindeer: a litter bag experiment. Oikos, 96: 507–515.

- Pei, S., Fu., H. and Wan, C., 2008. Changes in soil properties and vegetation following exclosure and grazing in degraded Alxa desert steppe of Inner Mongolia, China. Agriculture, Ecosystems and Environment, 124: 33–39.

- Peichl, M., 2006. Above- and below ground ecosystem biomass and carbon pools in an age sequence of temperate pine plantation. Agricultural and Forest Meteorology, 140(1-4): 51-63.

- Sabau, J., Schmidt, M.G. and Krzic, M., 2010...The impact of black cottonwood on soil fertility in coastal western hemlock forest. Forest Ecology and Management, 26: 1350-1358.

- Sagheb-Talebi KH., Sajedi, T., Yazdian, F., 2004. Forests of Iran. Technical Publication No. 339, Research Institute of Forests and Rangelands, Tehran, 28 p.

- Salehi, A., Mohammadi, A. and Safari, A., 2011. Investigation and comparison of physical and chemical soil properties and quantitative characteristics of trees in less-damaged and damaged area of Zagross forests (Case study: Poldokhtar, Lorestan province). Iranian Journal of Forest, 3(1): 81-89.

- Samari, D. and Chizariz, M., 2006. Designing the appropriate model of community forestry extension for development of forests in Zagross habitat. International Journal of Agricultural Science and Research, Islamic Azad University, 11(3): 31-48.

- Sanchez-Maranon, M., Soriano, M., Delgado, G. and Delgado, R., 2002. Soil quality in Mediterranean mountain environment: effect of land use change. Soil Science Society of American Journal, 66: 948-958.

- Sarah, J.H., Peter, J.T. and Michelle, R.L., 2005. Relationships between anthropogenic disturbance, soil properties and plant invasion in endangered Cumberland Plain Woodland, Australia. Journal of Australian Ecology, 30: 775-788.

- Schoenholtz, S., 2000. A review of chemical and physical properties as indicators of forest soil quality: challenges and opportunities. Forest Ecology and Management, 138: 13-28.

- Shahoei, S., 2007. The Nature and Property of Soils. Kurdistan university press, 880 p.

- Sommers, L.E. and Nelson, D.W., 1997. Determination of total phosphorus in soils: A rapid percholoric acid digestion procedure. Soil Science Society of American Procedure, 36: 902 – 904.

- Steffens, M., Kölb, A., Totsche, K. U. and Knabner, I. K., 2008. Grazing effects on soil chemical and physical properties in a semiarid steppe of Inner Mongolia (P.R. China). Geoderma, 14: 63-72.

- Strandberg, B., Kristiansen, S.M. and Tybirk, K., 2005. Dynamic oak-scrub to forest succession: effects of management on understory vegetation, humus forms and soils. Forest Ecology and Management, 211: 128–318.

- Tárrega, R., Calvo, L., Taboada, A., Garcia-Tejero, S. and Marcos, E., 2009. Abandonment and management in Spanish dehesa systems: Effects on soil features and plant species richness and composition. Forest Ecology and Management, 257: 731–738.

- Thomas, G.W., 1982. Exchangeable cations. In: A. Page, R. Miller and D. Keeney (eds.) Methods of Soil Analysis: Chemical and Microbiological Properties, 2nd edition. American Society of Agronomy, Madison, WI: 159-164.

- Wang, P., 2007. Measurements and simulation of forest leaf area index and net primary productivity in Northern china. Journal of Environmental Management, 85: 607-615.

- Yimer, F., Ledin, S., and Abdelkadir, A., 2007. Changes in soil organic carbon and total nitrogen contents in three adjacent land use types in the Bale Mountains, south-eastern highlands of Ethiopia. Journal of Forest Ecology and Management, 242: 337-342.

- Yousefi, M., Jalali, GH. And Fattahi, M., 2003.The effect of humans and livestock attacks on oak forests (Pataveh region), Yasuj. Journal of Research and Construction, 15(56-57): 28-37.

- Zarrinkafsh, M., 2002. Forest Soil, soil and plant interactions in relation to environmental factors in forest ecosystems. Research Institute of Forests and Rangelands press, 361 p.