بررسی اثر تغییر کاربری اراضی بر کیفیت خاک با استفاده از شاخص‌های ترکیبی و تحلیل داده‌های جامع و حداقلی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه خاکشناسی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه زنجان، زنجان، ایران.

2 گروه خاکشناسی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه زنجان، زنجان، ایران

3 مؤسسه تحقیقات خاک و آب، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، کرج، ایران

چکیده

تغییر کاربری اراضی از مهم‌ترین عوامل مؤثر بر ویژگی‌های فیزیکی، شیمیایی و زیستی خاک و در نهایت کیفیت کلی آن به شمار می‌رود. هدف پژوهش حاضر ارزیابی اثر تبدیل اراضی بایر با پوشش طبیعی نیمه‌بیابانی به باغ‌های زیتون بر کیفیت خاک در منطقه لوشان استان گیلان بود . به این منظور، ۷۶ نمونه خاک از عمق صفر تا ۳۰ سانتی‌متر در دو کاربری (بایر و باغ زیتون) برداشت شد و ۲۴ ویژگی فیزیکی، شیمیایی و زیستی آن اندازه‌گیری شد. شاخص کیفیت خاک (SQI) بر اساس دو مدل محاسباتی شامل شاخص تجمعی ساده (SQIA) و شاخص تجمعی وزنی (SQIW) و با استفاده از دو مجموعه داده، یعنی مجموعه کامل ویژگی‌ها (TDS) و مجموعه حداقلی (MDS)، محاسبه گردید. برای انتخاب ویژگی‌های کلیدی، از تحلیل مؤلفه‌های اصلی (PCA) بهره‌گیری شد. در اراضی بایر، ویژگی‌هایی مانند جرم مخصوص ظاهری، کربن آلی، هدایت الکتریکی، منیزیم، ظرفیت تبادل کاتیونی، نسبت جذب سدیم، میانگین وزنی قطر خاکدانه‌ها و کربنات کلسیم در مجموعه حداقلی قرار گرفتند؛ درحالی‌که در باغ‌های زیتون، درصد رس، کربن آلی، تنفس میکروبی، فسفر قابل‌جذب، سدیم، نسبت جذب سدیم و کربنات کلسیم به‌عنوان مهم‌ترین ویژگی‌ها شناسایی شدند. نتایج نشان داد که کیفیت خاک در باغ‌های زیتون به‌طور معناداری بالاتر از اراضی بایر است؛ به‌طوری‌که مقادیر شاخص کیفیت خاک در باغ زیتون بین 0/75 تا 0/79 و در اراضی بایر بین 0/41 تا 0/48 متغیر بود. افزون بر این، مجموعه داده‌های حداقلی با کاهش متغیرها و حفظ دقت، کارایی مناسبی نسبت به مجموعه کامل ویژگی‌ها داشت. همچنین، شاخص‌های وزنی به دلیل لحاظ کردن اهمیت نسبی متغیرها، ابزار دقیق‌تری برای تحلیل کیفیت خاک فراهم کردند. در مجموع، نتایج بیانگر آن است که تغییر کاربری اراضی بایر به باغ‌های زیتون در شرایط نیمه‌خشک می‌تواند به بهبود چشمگیر کیفیت خاک منجر شود. کاربرد شاخص‌های کمّی مبتنی بر مجموعه حداقلی و مدل وزنی نیز رویکردی کارآمد برای پایش و مدیریت پایدار خاک در مقیاس منطقه‌ای پیشنهاد می‌شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Assessing the effects of land use change on soil quality using composite indicators and total and minimum dataset analyses

نویسندگان [English]

  • سمیرا همتی 1
  • Kamran Moravej 2
  • Mir Naser Navidi 3
  • Ahmad Golchin 2
  • Mohammad Sadegh Askari 2
1 Department of Soil Science, Faculty of Agriculture, University of Zanjan, Zanjan, Iran
2 Department of Soil Science, Faculty of Agriculture, University of Zanjan, Zanjan, Iran.
3 Soil and Water Research Institute, Agricultural Research Education and Extension Organization (AREEO), Karaj, Iran
چکیده [English]

Land-use change is one of the major factors influencing the physical, chemical, and biological properties of soils, ultimately affecting their overall quality. This study aimed to evaluate the impact of converting barren lands with semi-arid natural vegetation into olive orchards on soil quality in the Loshan region, Guilan Province, Iran. A total of 76 soil samples were collected from the 0–30 cm depth under two land uses (barren land and olive orchard), and 24 physical, chemical, and biological properties were measured. Soil quality index (SQI) was calculated using two approaches: the simple additive index (SQIA) and the weighted additive index (SQIW), based on both the total dataset (TDS) and the minimum dataset (MDS). Principal Component Analysis (PCA) was applied to identify the most influential soil indicators. In barren lands, the selected MDS indicators included bulk density, soil organic carbon, electrical conductivity, magnesium, cation exchange capacity, sodium adsorption ratio, mean weight diameter of aggregates, and calcium carbonate. In olive orchards, key indicators consisted of clay content, organic carbon, microbial respiration, available phosphorus, sodium, sodium adsorption ratio, and calcium carbonate. The results indicated that soil quality was significantly higher in olive orchards compared to barren lands. SQI values in olive orchards ranged from 0.75 to 0.79, while in barren lands they varied between 0.41 and 0.48. Furthermore, the MDS approach provided reliable performance with fewer variables compared to TDS, and the weighted indices offered more accurate evaluations by accounting for the relative importance of indicators. Overall, the findings demonstrate that the conversion of barren lands into olive orchards under semi-arid conditions can substantially improve soil quality. The use of MDS-based quantitative indices combined with weighted models provides an effective approach for regional soil quality assessment and sustainable land.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Principal Component Analysis
  • Soil health
  • Soil quality index

مراجع

  1. تقی پور، م.، یغمائیان مهابادی، ن. و شعبانپور، م. (1402). ارزیابی شاخص‌های کیفیت خاک با استفاده از تحلیل‌های‌چند متغیره درکاربری‌های مختلف اراضی (مطالعه موردی: توتکابن استان گیلان). مهندسی زراعی. 46 (3).251-271.
  2. حیدری, ن.، موسوی، س.ب.، بهشتی آل آقا، ع.، رخش، ف. و کریمی, ا. (1401). تأثیر تغییر کاربری اراضی بر برخی ویژگی‎های فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی خاک. تحقیقات آب و خاک ایران. 53 (7), 1625-1643.
  3. عاکف، م.، و رحیمی لاکه، هادی.1386،ارزیابی کیفی تناسب اراضی برای محصول زیتون در بخشی از اراضی شهرستان رودبار ( استان گیلان )،دهمین کنگره علوم خاک ایران،کرج.
  4. مقامی مقیم، ف.، کریمی، ع.، باقری بداغ آبادی، م.، و امامی، ح. (1401). ارزیابی نقش سامانه های مدیریتی مختلف بر شاخص کیفیت خاک با استفاده از عملکرد محصول (مطالعه موردی: دشت نیشابور). آب و خاک. 36 (1). 95-112.
  5. مولائی آرپناهی، م.، صالحی، م.، کریمیان اقبال، م.، و مصلح، ز. (1399). تأثیر تغییر کاربری اراضی بر برخی از شاخص‌های فیزیکی و شیمیایی کیفیت خاک، منطقه بازفت، (استان چهارمحال و بختیاری). آب و خاک.34 (3). 707-720.
  6. میرخانی، ر.، واعظی، ع.، و رضائی، ح. (1399). بررسی شاخص‌های کیفیت خاک در کشتزارهای گندم آبی در منطقه نظرآباد در غرب استان البرز. آب و خاک.34 (5).1125-1139.
  7. میرخانی، ر.، بایبوردی، ا.، سعادت، س.، اسمعیل­نژاد، ل.، و رضایی، ح.(1402). ارزیابی کیفیت خاک اراضی تحت کشت گندم آبی در دشت تبریز، مجله تحقیقات آب و خاک ایران، 54 (12). 1981-1994.
  8. همتی، س.، یغمائیان مهابادی، ن.، فرهنگی، م.، و صبوری، ع. (1398). ارزیابی شاخص‌های کیفیت خاک و ارتباط آن با عملکرد برنج در شالیزار‌های مرکزی استان گیلان. مجله مدیریت خاک و تولید پایدار. 9 (1).135-150.
  9. یغمائیان مهابادی، ن.، فیاض، ح.، صبوری، ع.، و شیرین فکر، ا. (1399). مقایسه روش‌های ارزیابی کیفیت خاک و ارتباط آن با عملکرد در اراضی چایکاری غرب استان گیلان. پژوهش های خاک. 34 (4). 435-450.
  10. Anderson TH, Domsch KH (2010) Soil microbial biomass: the eco-physiological approach. Soil Biol and Biochem 42 (12): 2039-2043. doi: 10.1016/j.soilbio.2010.06.026.
  11. Andrews, S. S., Karlen, D. L., & Cambardella, C. A. (2004). The soil management assessment framework: a quantitative soil quality evaluation method. Soil Science Society of America Journal, 68(6), 1945-1962.
  12. Bandyopadhyay, S., & Maiti, S. K. (2021). Different soil factors influencing dehydrogenase activity in mine degraded lands—state-of-art review. Water, Air, & Soil Pollution, 232(9), 360.
  13. Beck T, Joergensen RG, Kandeler E, Makeschin F, Nuss E, Oberholzer HR, Scheu S (1997) An inter-laboratory comparison of ten different ways of measuring soil microbial biomass C. Soil Biol and Biochem 29 (7):1023-1032. doi: 10.1016/S0038-0717(97)00030-8.
  14. Blake G.R, Hartage  H  (1986) Bulk density. In: Klute, A. (Ed.), Method of Soil Analysis, Part I. Physical and Mineralogical Methods: Agronomy Monograph no. 9, second ed., pp. 363–375.
  15. Bower, C. A., Reitemeier, R. F., & Fireman, M. (1952). Exchangeable cation analysis of saline and alkali soils. Soil science. 73(4), 251-262.
  16. Bremner J. M, Mulvaney C. S (1982) Nitrogen-total. Methods of soil analysis, part 2 chemical and microbiological properties, 9, 595-624
  17. Chen, S., Zhang, G., Zhu, P., Wang, C., & Wan, Y. (2023). Impact of land use type on soil erodibility in a small watershed of rolling hill northeast China. Soil and Tillage Research, 227, 105597.
  18. Ding, J. N. (2023). EFFECT OF CULTIVATION AND NATURAL RESTORATION ON SOIL MICROBIAL FUNCTIONAL STRUCTURE IN COLDREGION WETLANDS. Applied Ecology & Environmental Research, 21(2).
  19. Doran J.W., and Parkin B.T. (1994). Defining and assessing soil quality. In: Doran, J.W., Coleman, D.C., Bezdicek, D.F., Stewart, B.A. (Eds.), Defining Soil Quality for a Sustainable Environment. Soil Science Society of America, Inc., Madison, WI, USA, pp. 3–21. Special Publication. Number 35.
  20. Fu, Z., Liu, Y., Jiang, X., Guo, H., Wang, S., & Li, Z. (2025). Health of plateau soil environment: Corresponding relationship of heavy metals in different land use/cover types (LULCC). Science of The Total Environment, 973, 179162.
  21. Gee, G.W. and Bauder J.M. (1986). Partical-size analysis. In Methods of Soil Analysis, Part 1, Physical and Mineralogical Methods. Agronomy Monogroph No. 9 (2nd edition), American Society of Agronomy, Madison, WI. Pp 383-411.
  22. Geremew, B., Tadesse, T., Bedadi, B., Gollany, H. T., Tesfaye, K., & Aschalew, A. (2023). Impact of land use/cover change and slope gradient on soil organic carbon stock in Anjeni watershed, Northwest Ethiopia. Environmental Monitoring and Assessment, 195(8), 971.
  23. Hemmati, S., Yaghmaeian, N., Farhangi, M. B., & Sabouri, A. (2023). Soil quality assessment of paddy fields (in Northern Iran) with different productivities: Establishing the critical limits of minimum data set indicators. Environmental Science and Pollution Research, 30(4), 10286-10296.
  24. Ibno Namr, K., & Bel-Lahbib, S. (2023). Use of spatial variability of Soil Quality Index models and Soil properties for Soil Quality evaluation in the Irrigated Perimeter, Semi-arid Region of Morocco. Earth Systems and Environment, 7(4), 857-879.
  25. Joshi, R. K., & Garkoti, S. C. (2023). Influence of vegetation types on soil physical and chemical properties, microbial biomass and stoichiometry in the central Himalaya. Catena, 222, 106835.
  26. Karlen, D. L., Andrews, S. S. and Doran, J. W. (2001). Soil quality: Current concepts and applications. Advances in Agronomy 74: 1-40.
  27. Kemper W.D. and Rosenau R.C. (1986). Aggregate stability and size distribution. In: Klute A (ed). Methods of Soil Analysis. Part a: Physical and Mineralogical Methods. American Society of Agronomy. Soil Science Society of America, Madison, WI. Pp 425–442.
  28. Lemenih, M. (2004). Effects of land use changes on soil quality and native flora degradation and restoration in the highlands of Ethiopia: Implications for sustainable land management (No. 306).
  29. Lindsay W.L. and Norvel W.A. 1978. Development of a DTPA soil test for Zinc, Iron, Manganese and Copper
  30. Maleki, S., Zeraatpisheh, M., Karimi, A., Sareban, G., & Wang, L. (2022). Assessing variation of soil quality in agroecosystem in an arid environment using digital soil mapping. Agronomy, 12(3), 578.
  31. Manas, P., & De las Heras, J. (2024). Nutrient content in olive leaves through sustained irrigation with treated wastewater. Scientia Horticulturae, 330, 113084.
  32. Martín-Sanz, J. P., de Santiago-Martín, A., Valverde-Asenjo, I., Quintana-Nieto, J. R., González-Huecas, C., & López-Lafuente, A. L. (2022). Comparison of soil quality indexes calculated by network and principal component analysis for carbonated soils under different uses. Ecological Indicators, 143, 109374.
  33. Masto, R., Chhonkar, P., Singh, D. and Patra, (2008); A. Alternative soil quality indices for evaluating the effect of intensive cropping, fertilization and managing for 31 years in the semi-arid soils of India. Environ. Monit. Assess., 136: 419-435.
  34. Nabiollahi, K., Taghizadeh-Mehrjardi, R., & Eskandari, S. (2018). Assessing and monitoring the soil quality of forested and agricultural areas using soil-quality indices and digital soil-mapping in a semi-arid environment. Archives of Agronomy and soil science, 64(5), 696-707.
  35. Okolo, C. C., Gebresamuel, G., Retta, A. N., Zenebe, A., & Haile, M. (2019). Advances in quantifying soil organic carbon under different land uses in Ethiopia: a review and synthesis. Bulletin of the National Research Centre, 43, 1-24.
  36. Olsen S.R., Cole C.V., Watanabe F.S. and Dean L.A. (1954). Estimation of Available Phosphorous in Soils by Extraction with Sodium Bicarbonate; U.S. Department of Agriculture: Washington, D.C., USDA Circ. 939.
  37. Page A.L., Miller R.H., and Keeney D.R.(1982). Methods of Soil Analysis, part2, chemical and microbiological properties. American Society of Agronomy, Inc. Soil Science Society of Aamerica, Madison, WI.
  38. Poeplau, C., & Don, A. (2013). Sensitivity of soil organic carbon stocks and fractions to different land-use changes across Europe. Geoderma, 192, 189-201.
  39. Poeplau, C., & Don, A. (2013). Sensitivity of soil organic carbon stocks and fractions to different land-use changes across Europe. Geoderma, 192, 189-201.
  40. Rahmanipour, F., R. Marzaioli, H. A. Bahrami and Z. Fereidouni. 2014. Assessment of soil quality indices in
    agricultural lands of Qazvin Province, Iran. Ecological Indicators. 40: 19–26.
  41. Raiesi, F. (2017). A minimum data set and soil quality index to quantify the effect of land use conversion on soil quality and degradation in native rangelands of upland arid and semiarid regions. Ecological indicators, 75, 307-320.
  42. Rangzan, K., Abdehvand, Z. Z., Mousavi, S. R., & Karimi, D. (2025). Spatial analysis of soil quality in agricultural land using machine learning and environmental covariates: A case study of Khuzestan Province. Soil and Tillage Research, 252, 106591.
  43. Reynolds W.D., Drury C.F., Tan C.S., Fox C.A. and Yang X.M. (2009). Use of indicators and pore volume function characteristics to quantify soil physical quality. Geoderma, 152: 252-263
  44. Rhoades, J.D. (1982). Soluble salts. In: Page AL (ed) Methods of soil analysis, part II, 2nd ed., ASA, Monograph No. 9, Madison, WI, pp 167– https://doi.org/10.2134/agronmonogr9.2.2ed.c10
  45. Shuite, Z., Demessie, A., & Abebe, T. (2025). Land use effect on soil quality and its implication to soil carbon storage in Aleta Chuko, Ethiopia. Geoderma Regional, 40, e00917.
  46. Shukla M.K., Lal R. and Ebinger M. (2006). Determining soil quality indicators by factor analysis. Soil Tillage Research, 87:194–204.
  47. Slade, H., & Wells, L. (2022). Soil quality enhancement with orchard age in pecan orchards of the southeastern US coastal plain. HortScience, 57(9), 1099-1105.
  48. Torbert H.A., Krueger E. and Kurtene D. (2008). Soil quality assessment using fuzzy modeling. International Agrophysics, 22: 365-370.
  49. Uthappa, A. R., Devakumar, A. S., Das, B., Mahajan, G. R., Chavan, S. B., Jinger, D., ... & Fahad, S. (2024). Comparative analysis of soil quality indexing techniques for various tree-based land use systems in semi-arid India. Frontiers in Forests and Global Change, 6, 1322660.
  50. Walkley A. and Black I.A. (1934). An examination of Degtjareff method for determining soil organic matter and a proposed modification of the chromic acid titration method. Soil Science, 37: 29-37.
  51. Xiong, J., Shao, X., Li, N., Yuan, H., Liu, E., & Wu, M. (2024). Effects of land-use on soil C, N, and P stocks and stoichiometry in coastal wetlands dependent on soil depth and latitude. Catena, 240, 107999.
  52. Yan, Y., Wang, C., Zhang, J., Sun, Y., Xu, X., Zhu, N., ... & Chen, J. (2022). Response of soil microbial biomass C, N, and P and microbial quotient to agriculture and agricultural abandonment in a meadow steppe of northeast China. Soil and Tillage Research, 223, 105475.
  53. Yanbing Q., Darilek J.L., Biao H., Yongcun Z., Sun W. and Gu Z. (2009). Evaluating soil quality indices in an agricultural region of Jiangsu Province, China. Geoderma, 149: 325-334.
  54. Yeneneh, N., Elias, E., & Feyisa, G. L. (2024). Monitoring soil quality of different land use systems: a case study in Suha watershed, northwestern highlands of Ethiopia. Environmental Systems Research, 13(1), 7.
  55. Zahedifar, M., 2023. Assessing alteration of soil quality, degradation, and resistance indices under different land uses through network and factor analysis. Catena, 222, p.106807.
  56. Zeraatpisheh, M., Bakhshandeh, E., Hosseini, M., & Alavi, S. M. (2020). Assessing the effects of deforestation and intensive agriculture on the soil quality through digital soil mapping. Geoderma, 363, 114139.
  57. Zipori, I., Erel, R., Yermiyahu, U., Ben-Gal, A., & Dag, A. (2020). Sustainable management of olive orchard nutrition: A review. Agriculture, 10(1), 11.
پژوهش های خاک
دوره 39، شماره 2
شهریور 1404
صفحه 225-246

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار