SUPERVISOR
شعبان شتائی جویباری (استاد مشاور) جهانگیر خواجه علی (استاد مشاور) حسین خادمی موغاری (استاد مشاور) شمس اله ایوبی (استاد راهنما)
STUDENT
Samaneh Tajik
سمانه تاجیک
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده کشاورزی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1391
TITLE
The relationships between biodiversity and pedodiversiy indices in forest soils of Shast- Kalateh district, Golestan Province
Soil represents one of the most important reservoirs of biodiversity. It reflects all the bio-geo-chemical processes of the different ecosystem components; therefore soil quality fluctuations are considered to be a suitable criterion for evaluating the long-term sustainability of ecosystems. In ecosystem and soil science survey, understanding the relationship among soil, landscape, vegetation and soil fauna as important components in soil formation is necessary for better and more sustainable management of forest lands. For this purpose, this study was conducted in three related studies including; i) investigating the relationship among soil characteristics, landscape, vegetation and soil fauna, ii) prediction of the abundance and biodiversity of soil fauna, and iii) prediction of soil microorganisms in Shast-Kalate forest with an approximate area of 900 hectares in Golestan province, northern Iran. In order to achieve the objectives of this study, the geological map and parcels map of the forest were investigated and the location of 153 plots was determined. In each plot, sampling was performed using a metal frame with dimensions of 10 × 10 × 20 cm. The results of this study showed that the studied area has a clay loamy texture and soils are acidic to neutral. Relationships among soil fauna, soil characteristics and environmental parameters showed that the abundance and indexes of biodiversity of soil invertebrates are significantly affected by depth. Soil invertebrates in the first depth were twice larger than second depth. The results showed that soil properties, electrical conductivity, organic carbon, total nitrogen, sand and microbial respiration were affected by depth. Also, the abundance and biodiversity indexes of soil invertebrates were significantly affected by soil depth. Soil characteristics including pH, electrical conductivity, organic carbon, total nitrogen and microbial respiration showed a significant correlation with soil biodiversity indexes, while topographic parameters and vegetation indices didn’t show a strong linear relationship with invertebrates, and their impact is likely to be indirect and through the effect on soil properties. Since the abundance and biodiversity of soil invertebrates is related to the environmental conditions induced by the interaction between soil characteristics, soil moisture and surface temperature (influenced by topographic and vegetation parameters). Therefore, these interactions produce complex changes in environmental parameters, which lead to different patterns of soil invertebrates’ distribution. Results showed that Random Forrest model has a higher accuracy and less error than other models in predicting abundance, diversity index and richness of invertebrates in the first and second depths. Also, according to the prediction map of abundance and collected invertebrates from plots, it can be concluded that there is an acceptable agreement between the observed and predicted values and the obtained maps can provide well information on the distribution of soil fauna. Also, studying and modeling of soil microorganisms showed that Protozoa and gram-positive bacteria were the least and the most of the microorganisms of the studied samples, respectively, and there is a significant relationship between organic carbon and nitrogen with all soil microbial groups. Also, in modeling and predicting soil microorganisms, artificial neural network model has higher accuracy and less error than linear regression and Random Forrest models and can justify more changes. Also, distribution of microorganisms was associated with topographic characteristics and vegetation indices, and the use of these indices allows for the modeling of soil replicas with higher precision. Key Words Topography, Vegetation, Soil invertebrates, Soil microorganisms, Modelling, Mapping.
خاک یکی از مهم ترین مخازن تنوع زیستی می باشد که منعکس کننده تمام فرآیندهای بیوژئو شیمیایی اجزاء مختلف اکوسیستم می باشد. لذا تغییرات کیفیت خاک به عنوان یک معیار مناسب برای ارزیابی پایداری درازمدت اکوسیستم ها محسوب می شود. در مطالعات اکوسیستم و خاکشناسی، درک ارتباط بین خاک، زمین نما، پوشش گیاهی و جانوران خاکزی به عنوان اجزاء اصلی تشکیل دهنده خاک، به منظور مدیریت بهتر و پایدار اراضی جنگلی از اهمیت بسزایی برخوردار می باشد. بدین منظور، این مطالعه در سه بخش مرتبط، شامل بررسی ارتباط بین ویژگی های خاک، زمین نما، پوشش گیاهی و جانوران خاکزی، پیش بینی فراوانی و تنوع زیستی جانوران خاکزی و پیش بینی میکروارگانیسم های خاک در اراضی جنگلی به مساحت تقریبی 900 هکتار در منطقه شصت کلاته استان گلستان انجام شد. به منظور دست یابی به اهداف این مطالعه، نقشه زمین شناسی و نقشه پارسل های منطقه مورد بررسی قرار گرفت و موقعیت مکانی 153 پلات مشخص شد. در هر پلات نمونه برداری با استفاده از قاب فلزی با ابعاد 10×10×10 انجام گرفت. نتایج بدست آمده در این مطالعه نشان دادند که ارتباط بین جانوران خاکزی، ویژگی های خاک و پارامترهای محیطی نشان دادند که فراوانی و شاخص های تنوع زیستی بی مهرگان خاکزی به طور معنی داری تحت تاثیر عمق می باشند و بی مهرگان جمع آوری شده از عمق اول تقریبا دو برابر عمق دوم و متعلق به 10 رده و 9 راسته بوده اند. نتایج نشان دادند که از بین ویژگی های خاک، هدایت الکتریکی، کربن آلی، نیتروژن کل، شن و تنفس میکروبی تحت تاثیر عمق بوده اند. ویژگی های خاک شامل pH ، هدایت الکتریکی، کربن آلی، نیتروژن کل و تنفس میکروبی، همبستگی معنی داری با شاخص های تنوع زیستی بی مهرگان خاکزی نشان دادند، در حالی که به نظر می رسد پارامترهای توپوگرافی و شاخص های درختان، ارتباط خطی قوی با بی مهرگان خاکزی ندارند و احتمالا تاثیر آنها به صورت غیر مستقیم و از طریق تاثیر بر ویژگی های خاک می باشد. نتایج بیان کردند که فراوانی و تنوع زیستی بی مهرگان خاکزی مرتبط با شرایط محیطی ایجاد شده حاصل از اثر متقابل بین ویژگی های خاک، رطوبت خاک و دمای سطح زمین (متاثر از پارامترهای توپوگرافی و پوشش گیاهی) می باشد. بنابراین، این اثرات متقابل تغییرات پیچیده ای در پارامترهای محیطی ایجاد می کنند که منجر به ایجاد الگوهای متفاوتی از توزیع بی مهرگان خاکزی در خاک می گردد. همچنین، نتایج پیش بینی فراوانی و تنوع زیستی جانوران خاکزی نشان داد که در بین مدل های استفاده شده مدل جنگل تصادفی دقت بالاتر و خطای کمتری نسبت به دیگر مدل ها در پیش بینی مکانی فراوانی (23/0، 23/0)، شاخص تنوع (31/0، 38/0) و شاخص غنا (34/0، 12/0) بی مهرگان به ترتیب در عمق اول و دوم را داشته است. با توجه به نقشه پیش بینی فراوانی بی مهرگان و مقادیر جمع آوری شده در پلات ها می توان مشاهده نمود که تطابق قابل قبولی بین مقادیر مشاهده شده و پیش بینی شده در منطقه وجود دارد و نقشه های بدست آمده اطلاعات مناسبی در زمینه پراکنش جانوران خاکزی در منطقه ارائه می نمایند. همچنین، بررسی و مدل سازی تغییرات میکروارگانیسم های خاکزی نشان داد که پروتوزوآ و باکتری های گرم-مثبت به ترتیب کم ترین و بیشترین بخش از میکروارگانیسم های موجود در نمونه های مورد مطالعه را شامل می شدند و بین کربن آلی و نیتروژن کل ارتباط معنی داری با تمامی گروه های میکروبی خاک وجود دارد. نتایج مدل سازی و پیش بینی میکروارگانیسم های خاکزی نشان دادند که، مدل شبکه عصبی مصنوعی دارای دقت بالاتر و خطا کمتری نسبت به دو مدل رگرسیون خطی و جنگل تصادفی می باشد و قادر است تغییرات بیشتری را توجیه کند. همچنین، توزیع میکروارگانیسم ها با ویژگی های توپوگرافی و شاخص های پوشش گیاهی مرتبط هستند و استفاده از این شاخص ها امکان مدل سازی میکروارگانیسم های خاک را با دقت بالاتری فراهم می کنند. کلمات کلیدی : توپوگرافی، پوشش گیاهی، بی مهرگان خاکزی، میکروارگانیسم های خاکزی، مدل سازی، نقشه برداری