اثر کاربری اراضی بر ترسیب کربن آلی در خاک و مدل سازی تغییرات آن در حوضه آبخیز لردگان

STUDENT

DEGREE

YEAR

Soil carbon sequestration is recognized as a possible solution for climate change mitigation and different land uses may alter this phenomenon. An urgent need is to determine temporal and spatial changes of soil organic carbon (SOC) stock under different land uses and its changes in the future in arid and semiarid regions. This research was conducted in different land uses including pasture, forest, rain-fed, and irrigated farmlands across a 385 km 2 semiarid region in western central Iran (Lordegan). Soil (450 samples) from 50 points across the study basin was collected in three depth increments and three sampling periods. Mean SOC concentrations in the pasture, forest, rain-fed and irrigated farmlands were 10.3, 20.2, 9.2 and 10.1 g kg -1 , respectively. About 1390 Gg organic carbon was stored in the top 0–30 cm depth of the area. The alteration of relative contribution of each land use across the area led to SOC stock reduction of 100 Gg carbons between 1988 and 2014. The results also indicated that the SOC controlling factors varied considerably among the land uses and soil depths. Mean weight diameter of aggregates (MWD), bulk density, soil texture, and altitude were identified as the important controlling variables by the stepwise multiple linear regression analysis. The support vector machine showed to be the best method to predict SOC stocks in digital SOC mapping. The most important variables explaining the observed spatial patterns of SOC stocks were temperature, precipitation, elevation, modified soil adjusted vegetation index (MSAVI), silt content and the near infrared band of Landsat 8. The comparison of produced maps indicated that the SOC stock increased from 2000 to 2009 and then decreased between 2009 and 2014. These trends were in line with the climatic variables changes and reflected in MSAVI. The minimum changes of SOC density occurred in the western part of the catchment dominantly covered by forest suggesting the resistance of SOC in this land use. The SOC changes in response to climate change under various land uses were estimated using the RothC model. Simulated values of SOC density correlated well with measured data (R 2 = 0.53 to 0.73) indicating a good precision of the RothC model. The results showed an overall decrease in SOC stocks by 2099 under all land uses (2.5%) and future climate change (12%). The modelling results were affected by its initialization method and the minimum differences observed in the soil with low SOC density. Key Words Soil organic carbon, Carbon sequestration, Multivariate linear regression, Digital soil organic carbon mapping, Machine learning models, RothC model, Organic carbon turnover, Climate change.

ترسیب کربن در خاک یکی از روش های کاهش دی اکسید کربن اتمسفر و غلبه بر پیامدهای تغییر اقلیم است. نوع کاربری زمین، مقدار ترسیب کربن در خاک را تحت تاثیر قرار می دهد. بنابراین تعیین مقدار اولیه ذخیره کربن آلی خاک، بررسی تغییرات آن در طول زمان، کسب اطلاعات مکانی پیوسته کربن آلی و پیش بینی روند تغییرات آن در آینده ضروری به نظر می رسد. این پژوهش در قالب سه مطالعه مجزا با هدف بررسی اثر کاربری زمین بر ترسیب کربن آلی در خاک، نقشه برداری رقومی کربن آلی و مدل سازی دینامیک کربن آلی در آینده با فرض وقوع تغییر اقلیم انجام شد. منطقه مورد مطالعه به وسعت 385 کیلومتر مربع در بخشی از حوضه آبخیز لردگان و در استان چهارمحال و بختیاری واقع شده است که شامل کاربری های مرتع، جنگل، دیم زار و اراضی تحت کشت آبی بود. در مجموع 450 نمونه خاک از 50 نقطه (سه لایه 5-0، 15-5 و 30-15 سانتی متری) و سه زمان (بهار و پاییز سال 1392 و بهار 1394) جمع آوری شدند. میانگین کربن آلی خاک در مرتع، جنگل، دیم زار و کشت آبی به ترتیب 3/10، 2/20، 2/9 و 1/10 گرم بر کیلوگرم بود. مقدار کربن آلی در اراضی جنگلی به طور معنی داری بیشتر از سایر کاربری ها بود. مقایسه نقشه های کاربری اراضی سال های 1367 و 1392 نشان دهنده تغییر مساحت تحت پوشش هر کاربری بود که این تغییرات باعث کاهش 100 گیگاگرمی کربن آلی خاک در 30 سانتی متر فوقانی خاک در این فاصله زمانی شده است. تحلیل رگرسیون خطی چندمتغیره نشان داد که عوامل کنترل کننده کربن در انواع کاربری ها و لایه های مختلف خاک متفاوت بود. بر این اساس فاکتورهای میانگین وزنی قطر خاکدانه ها، جرم مخصوص ظاهری، درصد رس، درصد شن و ارتفاع منطقه به عنوان مهم ترین فاکتورهای اثرگذار بر مقدار کربن آلی خاک در منطقه شناسایی شدند. بررسی وضعیت اشباع رس های خاک به وسیله کربن، نشان داد که خاک های همه کاربری ها دارای مقدار قابل توجهی رس کمپلکس نشده با کربن آلی بودند که نشان دهنده ظرفیت این خاک ها برای نگه داشت کربن بیشتر است. اتخاذ استراتژی های مدیریت پایدار اراضی، مستلزم شناخت توزیع مکانی کربن آلی خاک است. در مطالعه دوم نقشه رقومی چگالی کربن آلی خاک منطقه بر اساس تکنیک های یادگیری ماشین و با استفاده از داده های اقلیمی، خاکی، مدل رقومی ارتفاع و تصاویر ماهواره ای لندست برای سال های 2000، 2009 و 2014 تهیه شد. از میان روش های یادگیری ماشین، مدل ماشین بردار پشتیبان بهترین کارایی را به خود اختصاص داد. مهم ترین متغیرهای وارد شده در ساختار این مدل شامل دما، بارش، ارتفاع، شاخص گیاهی تعدیل کننده اثرات خاک اصلاح شده (MSAVI)، درصد سیلت و باند 5 تصویر لندست 8 بودند. نقشه تولید شده هم خوانی خوبی با نقشه کاربری اراضی و مشاهدات میدانی داشت. مقایسه مقادیر ذخیره کربن آلی خاک بر اساس نقشه های تولیدشده نشان داد که از سال 2000 تا 2009 مقدار کل ذخیره کربن در منطقه افزایش و از سال 2009 تا 2014 کاهش یافته است. این تغییرات همسو با تغییرات ویژگی های اقلیمی منطقه بود که اثر آن ها در شاخص MSAVI نیز منعکس شده بود. بررسی کلی نشان داد که تغییرات چگالی کربن آلی در بخش های غربی حوضه که عمدتاً دارای پوشش جنگلی است در طول زمان کمتر بوده است که نشان دهنده اثر مثبت کاربری جنگل بر پایداری کربن آلی خاک است. در سال های اخیر پیش بینی ذخیره کربن آلی خاک به علت اهمیت بالقوه آن در تغییر اقلیم و انتشار دی اکسیدکربن به اتمسفر، مورد توجه قرار گرفته است. خاک ها در صورت مدیریت صحیح، می توانند مخزن ذخیره کربن بوده و گزینه مناسبی برای کاهش غلظت دی اکسیدکربن اتمسفر باشند. مدل RothC یکی از مدل های فرآیندی پرکاربرد در زمینه بررسی دینامیک کربن آلی خاک است که کربن آلی را به پنج منبع با سرعت های تجزیه متفاوت تقسیم کرده و مقدار تغییرات آن را در آینده شبیه سازی می کند. بنابراین به منظور بررسی اثر نوع کاربری و تغییر اقلیم بر تغییرات کربن آلی خاک، مدل RothC در انواع کاربری های مورد مطالعه و تحت شرایط اقلیمی حاضر و وقوع تغییر اقلیم، واسنجی و اعتبارسنجی شد. ضریب تبیین مدل در مرحله اعتبارسنجی بین 53/0 تا 73/0 متغیر بود. نتایج شبیه سازی تغییرات چگالی کربن آلی خاک با مدل RothC حاکی از کاهش 5/2 درصدی کربن آلی خاک در بازه زمانی 2014 تا 2099 بود. در صورت وقوع تغییر اقلیم در منطقه مورد مطالعه مطابق سناریوی HadCM3، چگالی کربن آلی خاک به طور متوسط 12 درصد کاهش خواهد یافت. به منظور راه اندازی مدل RothC باید مقدار پنج منبع کربن آلی آن به نحوی تعیین شوند. مقایسه روش های مختلف راه اندازی مدل شامل اجرای مدل در حالت تعادلی، استفاده از نتایج اندازه گیری اجزای کربن آلی و به کارگیری توابع انتقالی به منظور پیش بینی منابع کربن، نشان دهنده متفاوت بودن نتایج مدل سازی بود. بیشترین شباهت بین روش های مختلف راه اندازی مدل در کاربری کشت دیم و مرتع مشاهده شد. با افزایش چگالی کربن آلی خاک، نتایج متفاوتی برای سه روش مورد بررسی به دست آمد. بنابراین در مناطق دارای کربن آلی کم، در صورتی که اطلاعات دقیقی درباره شرایط مدیریتی و اقلیمی منطقه در دسترس نباشد، می توان مدل RothC را با استفاده از نتایج تفکیک فیزیکی و شیمیایی کربن آلی خاک و یا استفاده از توابع انتقالی با موفقیت راه اندازی کرد. واژه های کلیدی: کربن آلی خاک، ترسیب کربن، رگرسیون خطی چند متغیره، نقشه برداری رقومی کربن آلی، مدل های یادگیری ماشین، مدل RothC، دگرگونی کربن آلی، تغییر اقلیم