اثر گرادیان ارتفاعی و شدت تردد بر بازیابی شاخص‌های بیوشیمیایی و میکروبی خاک در مسیرهای چوبکشی هفت‌ساله

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری جنگلداری و اقتصاد جنگل، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران.

2 استاد، گروه جنگلداری و اقتصاد جنگل، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران.

چکیده

سابقه و هدف: جنگل‌های راش هیرکانی به‌عنوان اکوسیستم‌های کوهستانی حساس، در برابر اختلالات ناشی از عملیات بهره‌برداری آسیب‌پذیر هستند. تردد ماشین‌آلات چوبکشی باعث فشردگی خاک و تغییر در ویژگی‌های بیوشیمیایی و میکروبی آن می‌شود که می‌تواند برای دهه‌ها پایدار بماند. ارتفاع از سطح دریا با تأثیر بر شرایط اقلیمی، پوشش گیاهی و فرآیندهای خاک‌سازی، نقش مهمی در تعدیل این اثرات و تعیین مسیر و سرعت بازیابی خاک ایفا می‌کند. با وجود اهمیت این موضوع، اطّلاعات کمی درباره اثر متقابل گرادیان ارتفاعی و شدت تردد بر بازیابی شاخص‌های میکروبی و چرخه عناصر غذایی در خاک مسیرهای چوبکشی وجود دارد. این پژوهش با هدف بررسی اثر گرادیان ارتفاعی (۷۰۰ تا ۱۵۰۰ متر) و شدت تردد ماشین‌آلات (کم، متوسط و زیاد) بر بازیابی ویژگی‌های بیوشیمیایی و میکروبی خاک در مسیرهای چوبکشی هفت‌ساله در توده‌های راش خالص جنگل‌های هیرکانی انجام شد.

مواد و روش‌ها: نمونه‌برداری هفت سال پس از عملیات بهره‌برداری، در مسیرهای چوبکشی و مناطق دست‌نخورده مجاور در پنج گرادیان ارتفاعی (۷۰۰، ۹۰۰، ۱۱۰۰، ۱۳۰۰ و ۱۵۰۰ متر) در جنگل‌های خیرود و کجور انجام شد. در هر مسیر، سه سطح شدت تردد (کم، متوسط و زیاد) بر اساس فاصله از دپو تفکیک گردید. نمونه‌های خاک از عمق ۱۰-۰ سانتی‌متری برداشت شدند. زیست‌توده میکروبی کربن، نیتروژن و فسفر به روش تدخین-استخراج، غلظت آمونیوم و نیترات با روش‌های رنگ‌سنجی و نرخ خالص معدنی‌شدن نیتروژن طی انکوباسیون تعیین گردید. تجزیه وتحلیل داده‌ها با آزمون‌های کولموگروف-اسمیرنوف، لوین، تجزیه واریانس دوطرفه و توکی انجام شد.

یافته‌ها: اثر متقابل گرادیان ارتفاعی و شدت تردد بر تمام شاخص‌های مورد بررسی معنی‌دار بود (۰۱/۰p > ). در مناطق شاهد، زیست‌توده میکروبی کربن با افزایش ارتفاع از ۷۰۰ به ۱۵۰۰ متر، افزایش چشمگیر ۲۴۶ درصدی نشان داد، در حالی که زیست‌توده میکروبی نیتروژن (۶۸ درصد)، زیست‌توده میکروبی فسفر (۵۷ درصد)، آمونیوم (۶۰ درصد)، نیترات (۳/۷۶ درصد) و معدنی‌شدن نیتروژن (۶۵ درصد) کاهش یافتند. در ارتفاعات پایین (۷۰۰-۹۰۰ متر)، زیست‌توده میکروبی کربن و نیتروژن بازیابی کامل نشان دادند، اما غلظت آمونیوم در تردد متوسط و زیاد با کاهش ۵/۶ تا ۷ درصدی نسبت به شاهد، همچنان پایدار ماند. در ارتفاع ۹۰۰ متر، نیترات در تمام سطوح تردد (کم، متوسط و زیاد) به ترتیب با کاهش ۳/۷، ۱/۱۱ و ۷/۷ درصدی، اختلال پایدار در فرآیند نیتریفیکاسیون را نشان داد. در ارتفاعات میانی (۱۱۰۰ و ۱۳۰۰ متر)، تردد زیاد باعث کاهش پایدار نیترات (۹-۱۹ درصد)، معدنی‌شدن نیتروژن (۵/۱۱-۵/۱۴ درصد) و زیست‌توده میکروبی فسفر (۲۱-۲۶ درصد) شد. در ارتفاع ۱۵۰۰ متر، تردد زیاد منجر به کاهش ۲۵ درصدی زیست‌توده میکروبی فسفر و افزایش معنی‌دار نسبت‌های C/N و C/P زیست‌توده میکروبی گردید که نشانه اختلال عمیق در چرخه فسفر و تشدید محدودیت این عنصر است. نتایج همبستگی پیرسون نشان داد اثر متقابل تردد و ارتفاع با زیست‌توده میکروبی کربن (۸۸/۰-)، نیترات (۹۳/۰-) و نسبت C/N زیست‌توده میکروبی (۹۵/۰) به‌ترتیب همبستگی منفی و مثبت بسیار قوی دارد.

نتیجه‌گیری: هفت سال پس از عملیات چوبکشی، هیچ‌یک از طبقات ارتفاعی و سطوح تردد به وضعیت اولیه بازنگشته‌اند. ارتفاعات میانی (۹۰۰-۱۳۰۰ متر) به‌ویژه در برابر تردد شدید آسیب‌پذیرترین مناطق هستند و اختلال پایدار در چرخه نیتروژن و فسفر در این ارتفاعات، حاصلخیزی بلندمدت خاک را تهدید می‌کند. مدیریت عملیات چوبکشی باید با رویکردی مبتنی بر حساسیت ارتفاعی و با محدودیت شدید تردد به‌ویژه در ارتفاعات میانی و بالا انجام شود تا از تخریب برگشت‌ناپذیر این اکوسیستم‌های ارزشمند جلوگیری گردد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

The influence of elevation gradient and machine traffic intensity on recovery of soil biochemical and microbial indicators in 7-year-old skid trails

نویسندگان [English]

  • Tohid Ghassemi 1
  • Meghdad Jourgholami 2
1 Ph.D. Student of Forest Engineering and Utilization, Faculty of Natural Resources, University of Tehran, Karaj, Iran.
2 Professor, Dept. of Forestry and Forest Economics, Faculty of Natural resources, University of Tehran, Karaj, Iranepartment of Forestry and Forest Economics, Faculty of Natural Resources, University of Tehran, Karaj, Iran
چکیده [English]

Background and Objectives: Hyrcanian beech forests, as sensitive mountain ecosystems, are vulnerable to disturbances caused by logging operations. The traffic of skidding machinery leads to soil compaction and alterations in its biochemical and microbial properties, which can persist for decades. Elevation above sea level, by influencing climatic conditions, vegetation, and pedogenic processes, plays a crucial role in modulating these effects and determining the trajectory and rate of soil recovery. Despite the importance of this issue, there is limited information on the interactive effect of elevation gradient and traffic intensity on the recovery of microbial indicators and nutrient cycling in the soil of skid trails. This study aimed to investigate the effect of elevation gradient (700 to 1500 m a.s.l.) and machinery traffic intensity (low, moderate, high) on the recovery of soil biochemical and microbial properties in 7-year-old skid trails within pure Oriental beech (Fagus orientalis) stands of the Hyrcanian forests.

Materials and Methods: Soil sampling was conducted seven years after logging operations on skid trails and adjacent undisturbed areas across five elevation gradients (700, 900, 1100, 1300, and 1500 m) in the Kheyrud and Kojur forests. In each trail, three levels of traffic intensity (low, moderate, high) were distinguished based on distance from the landing. Soil samples were taken from a depth of 0-10 cm. Microbial biomass carbon (MBC), nitrogen (MBN), and phosphorus (MBP) were determined using the fumigation-extraction method. Ammonium (NH₄⁺) and nitrate (NO₃⁻) concentrations were measured colorimetrically, and the net rate of nitrogen mineralization was determined through incubation. Data were analyzed using Kolmogorov-Smirnov, Levene's, two-way ANOVA, and Tukey's HSD tests.

Results: The interaction effect of elevation gradient and traffic intensity was statistically significant for all studied indicators (p<0.01). In control (undisturbed) areas, MBC showed a substantial increase of 246% with increasing elevation from 700 to 1500 m. In contrast, MBN (68%), MBP (57%), NH₄⁺ (60%), NO₃⁻ (76.3%), and N mineralization rate (65%) decreased significantly. At lower elevations (700-900 m), MBC and MBN exhibited complete recovery; however, NH₄⁺ concentrations remained significantly lower than the control under moderate and high traffic intensities (6.5-7% reduction). At 900 m elevation, NO₃⁻ levels in all traffic intensity treatments (low, moderate, high) showed persistent reductions of 7.3%, 11.1%, and 7.7%, respectively, indicating sustained disruption of the nitrification process. At mid-elevations (1100 and 1300 m), high traffic intensity led to lasting decreases in NO₃⁻ (9-19%), N mineralization (11.5-14.5%), and MBP (21-26%). At the highest elevation (1500 m), high traffic intensity resulted in a 25% reduction in MBP and a significant increase in microbial biomass C/N and C/P ratios, signifying profound disruption of the phosphorus cycle and exacerbated P limitation. Pearson correlation analysis revealed that the interaction effect of traffic and elevation exhibited a very strong negative correlation with MBC (r = -0.88) and NO₃⁻ (r = -0.93), and a very strong positive correlation with the microbial biomass C/N ratio (r = 0.95).

Conclusion: Seven years after logging operations, none of the elevation zones or traffic intensity levels had fully recovered to pre-disturbance conditions. Mid-elevations (900-1300 m) are particularly vulnerable to high traffic intensity, with persistent disruptions in nitrogen and phosphorus cycles posing a threat to long-term soil fertility. Management of skidding operations must adopt an approach based on elevational sensitivity, with strict limitations on traffic intensity, especially in mid and high elevations, to prevent irreversible degradation of these valuable ecosystems.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Oriental beech
  • Recovery
  • Microbial biomass
  • Ammonium
  • Nitrate

مراجع

1.Acharya, R.P., Maraseni, T., & Cockfield, G. (2019). Global trend of forest ecosystem services valuation – an analysis of publications. Ecosystem Services. 39, 100979.
2.Picchio, R., Neri, F., Petrini, E., Verani, S., Marchi, E., & Certini, G. (2012). Machinery-induced soil compaction in thinning two pine stands in central Italy. Forest Ecology and Management. 285, 38-43.
3.Ramantswana, M., Guerra, S. P. S., & Ersson, B. T. (2020). Advances in the mechanization of regenerating plantation forests: a review. Current Forestry Reports. 6, 143-158.
4.Cambi, M., Certini, G., Neri, F., & Marchi, E. (2015). The impact of heavy traffic on forest soils: a review. Forest Ecology and Management. 338, 124-138.
5.Picchio, R., Mederski, P. S., & Tavankar, F. (2020). How and how much, do harvesting activities affect forest soil, regeneration and stands? Current Forestry Reports. 6, 115-128.
6.Frey, B., Kremer, J., Rüdt, A., Sciacca, S., Matthies, D., & Lüscher, P. (2009). Compaction of forest soils with heavy logging machinery affects soil bacterial community structure. European Journal of Soil Biology. 45(4), 312-320.
7.Ampoorter, E., Van Nevel, L., De Vos, B., Hermy, M., & Verheyen, K. (2010). Assessing the effects of initial soil characteristics, machine mass and traffic intensity on forest soil compaction. Forest Ecology and Management. 260(10), 1664-1676.
8.Teepe, R., Brumme, R., Beese, F., & Ludwig, B. (2004). Nitrous oxide emission and methane consumption following compaction of forest soils. Soil Science Society of America Journal. 68(2), 605-611.
9.Goutal, N., Renault, P., & Ranger, J. (2013). Forwarder traffic impacted over at least four years soil air composition of two forest soils in northeast France. Geoderma. 193-194, 29-40.
10.Jourgholami, M., Feghhi, J., Tavankar, F., Latterini, F., Venanzi, R., & Picchio, R. (2021). Short-term effects in canopy gap area on the recovery of compacted soil caused by forest harvesting in old-growth oriental beech (Fagus orientalis Lipsky) stands. iForest. 14(4), 370-377.
11.Naghdi, R., Solgi, A., Labelle, E. R., & Zenner, E. K. (2016). Influence of ground-based skidding on physical and chemical properties of forest soils and their effects on maple seedling growth. European Journal of Forest Research. 135(5), 949-962.
12.DeArmond, D., Ferraz, J. B. S., & Higuchi, N. (2021). Natural recovery of skid trails: A review. Canadian Journal of Forest Research. 51(7), 948-961.
13.Warlo, H., von Wilpert, K., Lang, F., & Schack-Kirchner, H. (2019). Black alder (Alnus glutinosa (L.) Gaertn.) on compacted skid trails: A trade-off between greenhouse gas fluxes and soil structure recovery? Forests. 10, 726.
14.Sohrabi, H., Jourgholami, M., Jafari, M., Shabanian, N., Venanzi, R., Tavankar, F., & Picchio, R. (2020). Soil recovery assessment after timber harvesting based on the sustainable forest operation (SFO) perspective in Iranian Temperate Forests. Sustainability. 12(7), 2874.
15.Tan, X., Chang, S. X., & Kabzems, R. (2008). Soil compaction and forest floor removal reduced microbial biomass and enzyme activities in a boreal aspen forest soil. Biology and Fertility of Soils. 44(3), 471-479.
16.Tan, X., Chang, S. X., & Kabzems, R. (2005). Effects of soil compaction and forest floor removal on soil microbial properties and N transformations in a boreal forest long-term soil productivity study. Forest Ecology and Management. 217 (2-3), 158-170.
17.Li, Q., Lee Allen, H., & Wollum, A. G. (2004). Microbial biomass and bacterial functional diversity in forest soils: Effects of organic matter removal, compaction, and vegetation control. Soil Biology and Biochemistry. 36(4), 571-579.
18.Stutz, K. P., Schack-Kirchner, H., Kändler, G., Landes, L., Linz, M., Warlo, H., & Lang, F. (2017). Available nutrients can accumulate in permanent skid trails. Forests. 8 (10), 1-14.
19.Nazari, M., Horvat, M., Joergensen, R. G., & Peth, S. (2020). Soil organic matter mobilization by re-compaction of old forest skid trails. European Journal of Soil Biology. 98, 103173.
20.Demir, M., Makineci, E., & Yilmaz, E. (2007). 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. 42(3), 1194-1199.
21.Ilstedt, U., Nordgren, A., & Malmer, A. (2006). Soil chemical and microbial properties after disturbance by crawler tractors in a Malaysian forest plantation. Forest Ecology and Management. 225(1-3), 313-319.
22.Beylich, A., Oberholzer, H. R., Schrader, S., Höper, H., & Wilke, B. M. (2010). Evaluation of soil compaction effects on soil biota and soil biological processes in soils. Soil and Tillage Research. 109(2), 133-143.
23.Ebeling, C., Fründ, H. C., Lang, F., & Gaertig, T. (2017). Evidence for increased P availability on wheel tracks 10 to 40 years after forest machinery traffic. Geoderma. 297, 61-69.
24.Yang, L., Zhang, H., Qin, J., Liu, X., & Mayer, M. (2024). A global meta-analysis of forest harvesting effects on soil respiration, its components, and temperature sensitivity. Agricultural and Forest Meteorology. 358, 110259.
25.Klein-Raufhake, T., Hölzel, N., Schaper, J.J., Hortmann, A., Elmer, M., Fornfeist, M., Linnemann, B., Meyer, M., Rentemeister, K., Santora, L., Wöllecke, J., & Hamer, U. (2024). Severity of topsoil compaction controls the impact of skid trails on soil ecological processes. Journal of Applied Ecology. 61, 1817-1828.
26.Pourbabaei, H., Salehi, A., Ebrahimi, S. S., & Khodaparasrt, F. (2020). Variations of soil physicochemical properties and vegetation cover under different altitudinal gradient, western Hyrcanean forest, north of Iran. Journal of Forest Science. 66(4), 159-169.
27.Ratier Backes, A., Frey, L., Arévalo, J. R., & Haider, S. (2021). Effects of soil properties, temperature and disturbance on diversity and functional composition of plant communities along a steep elevational gradient on tenerife. Frontiers in Ecology and Evolution.
9, 758160.
28.Dinter, T. C., Gerzabek, M. H., Puschenreiter, M., Strobel, B. W., Strahlhofer, M., Couenberg, P. M., et al. (2020). Changes in topsoil characteristics with climate and island age in the agricultural zones of the Galápagos. Geoderma. 376, 114534.
29.Hamid, M., Khuroo, A. A., Malik, A. H., Ahmad, R., & Singh, C. P. (2021). Elevation and aspect determine the differences in soil properties and plant species diversity on Himalayan Mountain summits. Ecological Research. 36, 340-352.
30.Körner, C. (2007). The use of 'altitude' in ecological research. Trends in Ecology and Evolution. 22, 569-574.
31.Barry, R. G. (2008). Mountain Weather and Climate. 3rd edition. Cambridge: Cambridge University Press.
32.Nazari, M., Arthur, E., Lamandé, M., Keller, T., Bilyera, N., & Bickel, S. (2023). A meta-analysis of soil susceptibility to machinery-induced compaction in forest ecosystems across global climatic zones. Current Forestry Reports. 9(5), 370-381.
33.DeArmond, D., Ferraz, J. B. S., de Oliveira, L. R., Lima, A. J. N., Falcão, N. P. D. S., & Higuchi, N. (2023). Soil compaction in skid trails still affects topsoil recovery 28 years after logging in Central Amazonia. Geoderma. 434, 116473.
34.Unger, M., Homeier, J., & Leuschner, C. (2012). Effects of soil chemistry on tropical forest biomass and productivity at different elevations in the equatorial Andes. Oecologia. 170, 263-274.
35.Köhler, L., Gieger, T., & Leuschner, C. (2006). Altitudinal change in soil and foliar nutrient concentrations and in microclimate across the tree line on the subtropical island mountain Mt. Teide (Canary Islands). Flora - Morphology, Distribution, Functional Ecology of Plants. 201, 202-214.
36.Meliyo, J. L., Msanya, B. M., Kimaro, D. N., Massawe, B. H. J., Hieronimo, P., Mulungu, L., & Gulinck, H. (2016). Variability of soil organic carbon with landforms and land use in the Usambara Mountains of Tanzania. Journal of Soil Science and Environmental Management. 7, 123-132.
37.Tashi, S., Singh, B., Keitel, C., & Adams, M. (2016). Soil carbon and nitrogen stocks in forests along an altitudinal gradient in the eastern Himalayas and a meta-analysis of global data. Global Change Biology. 22, 2255-2268.
38.Kumar, B., Asadi, M., Pisasale, D., Sinha-Ray, S., Rosen, B. A., Haasch, R., & Salehi-Khojin, A. (2013). Renewable and metal-free carbon nanofibre catalysts for carbon dioxide reduction. Nature Communications. 4, 2819.
39.Zhang, P., Cui, Y., Zhang, Y., Jia, J., Wang, X., & Zhang, X. (2016). Changes in soil physical and chemical properties following surface mining and reclamation. Soil Science Society of America Journal. 80, 1476-1485.
40.Xu, Z., Chang, Y., Li, L., Luo, Q., Xu, Z., Li, X., et al. (2019). Climatic and topographic variables control soil nitrogen, phosphorus, and nitrogen: phosphorus ratios in a Picea schrenkiana forest of the Tianshan Mountains. PLoS ONE. 14, e0211839.
41.Ediriweera, S., Singhakumara, B. M. P., & Ashton, M. S. (2008). Variation in canopy structure, light and soil nutrition across elevation of a Sri Lankan tropical rain forest. Forest Ecology and Management. 256, 339-1349.
42.Grant, C., Bittman, S., Montreal, M., Plenchette, C., & Morel, C. (2005). Soil and fertilizer phosphorus: Effects on plant P supply and mycorrhizal development. Canadian Journal of Plant Science. 85, 3-14.
43.Hailemariam, M. B., Woldu, Z.,
Asfaw, Z., & Lulekal, E. (2023).
Impact of elevation change on the physicochemical properties of forest soil in south Omo zone, Southern Ethiopia. Applied and Environmental Soil Science. 2023, 1-12.
44.Wang, R., Wang, X., Jiang, Y., Cerdà, A., Yin, J., Liu, H., Feng, X., Shi, Z., Dijkstra, F. A., & Li, M. H. (2018). Soil properties determine the elevational patterns of base cations and micronutrients in the plant–soil system up to the upper limits of trees and shrubs. Biogeosciences. 15, 1763-1774.
پژوهش‌های علوم و فناوری چوب و جنگل
دوره 33، شماره 1
فروردین 1405
صفحه 19-49

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار