SUPERVISOR
Mohammad Reza Mosaddeghi,Samsolall Ayubi,Mahdi Gheysari
محمدرضا مصدقی (استاد راهنما) شمس اله ایوبی (استاد مشاور) مهدی قیصری (استاد مشاور)
STUDENT
Smaeil Momivand
اسماعیل مومیوند
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده کشاورزی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391
TITLE
Land-use Impact on Soil Hydraulic Properties, Water Repellency and Shear Strength in Tuyserkan Region
The objective of this study was to investigate the effect of land use on unsaturated water infiltration, near-saturated soil hydraulic properties, water repellency, and saturated and unsaturated shear strength by deriving cause-effect relations between soil physical, hydraulic and mechanical properties in Tuyserkan region, Hamadan province. Five land use treatments including non-grazed, moderately grazed and severely grazed rangelands, dryland farming and walnut garden were considered. Measurements were done two times, in Aug. 2013 and May 2014, in order to monitor temporal variations of selected soil properties as well. In August 2013, following soil properties were measured in situ : hydraulic properties (i.e. saturated and unsaturated hydraulic conductivity, sorptivity and macroscopic capillary length) determined using tension infiltrometer, shear strength measured using shear vane, penetration resistance measured using pocket penetrometer, and runoff and erosion determined using portable rainfall simulator. Moreover, laboratory measurements included following soil properties: water repellency, gravel percent, texture, organic matter, carbohydrate and carbonate contents, soluble calcium, magnesium, potassium, and sodium and EC and pH of saturated extract, dispersible clay, bulk density and relative bulk density. In May 2014, selected soil properties were determined as follows: hydraulic properties measured using tension infiltrometer, saturated shear strength parameters (i.e. cohesion and angle of internal friction) measured using a field torsional shear device, and bulk density. Soil organic matter was greatest in the non-grazed rangeland and walnut garden, and lowest in the severely grazed rangeland. Trend of soil carbohydrate was similar to that of soil organic matter with the exception that its value in the non-grazed rangeland was greater than in the walnut garden. Variations of bulk density and relative bulk density were similar in different land uses; their values were higher in the dryland farming than in the non-grazed rangeland and walnut garden. Saturated hydraulic conductivity was greater in the non-grazed rangeland when compared to the dryland farming, whereas unsaturated hydraulic conductivity was greatest in the dryland farming presumably due to high proportion of fine- and medium-sized aggregates as produced from tillage. Values of macroscopic capillary length at matric suctions of 5, 10 and 15 cm decreased in the order: walnut garden rangeland treatments dryland farming. However, macroscopic capillary length at matric suctions of 2 cm and its best-fit values were greater in the severely grazed rangeland and decreased in the order: walnut garden dryland farming moderately grazed rangeland non-grazed rangeland. Greatest values of soil sorptivity at all matric suctions were measured in the dryland farming due to low water repellency and high proportion of macropores. Grazing resulted in low soil organic matter and carbohydrate, high soil compaction, high soil pH, low saturated hydraulic conductivity, high unsaturated hydraulic conductivity and macroscopic capillary length, low water sorptivity, low macropores and high micropores, low contribution of macropores to soil water flow, low water repellency, low cohesions at saturationand matric suction of 2 cm , high angle of internal frictionand high dispersible clay, runoff and erosion. Measurement season significantly reduced soil bulk density by changing amount and type of soil organic matter, and drying-wetting and freezing-thawing processes. The extent of these changes decreased with increasing grazing intensity and was the lowest in the dryland farming. Such temporal changes in the walnut garden were similar to those in the non-grazed rangeland. From fall to spring, the saturated and unsaturated hydraulic conductivity and sorptivity at all matric suctions significantly increased, the macroscopic capillary length significantly decreased, numbers of macropores and micropores increased and decreased, respectively, and the contribution of macropores to soil water flow increased. Interaction of measurement time and land use did not significantly affect soil bulk density. The interactive effects were significant on saturated and unsaturated hydraulic conductivity, macroscopic capillary length, sorptivity, and number of pores corresponding to matric suctions of 5 and 10 cm; however, the effect was not significant for the mentioned properties at matric suction of 15 cm. Therefore, variations of the properties at matric suction of 15 cm were solely due to land use changes. Overall, the findings indicated that soil physical, hydraulic and mechanical properties were significantly affected by the land use type; intensive grazing in the rangelands has severely diminished soil quality and temporal variations of near-saturated soil hydraulic properties were considerable in the region.
تغییر کاربری زمین با تغییر ساختمان، مقدار و نوع ماده آلی و چگالی ظاهری خاک باعث تغییر نفوذ آب به خاک، درجه تراکم، ویژگی های هیدرولیکی، مقاومت برشی، آب گریزی خاک و روان آب و فرسایش خاک می شود. این پژوهش با هدف بررسی اثر کاربری زمین بر نفوذ غیراشباع آب به خاک و ویژگی های هیدرولیکی نزدیک-اشباع، آب گریزی، و مقاومت برشی در حالت اشباع و غیراشباع خاک و استخراج روابط علت و معلولی بین ویژگی های فیزیکی، مکانیکی و هیدرولیکی خاک در شهرستان تویسرکان در استان همدان انجام شد. بدین منظور پنج کاربری زمین شامل مرتع بدون چرا، مرتع با چرای متوسط، مرتع با چرای شدید، کشاورزی دیم و باغ گردو مورد بررسی قرار گرفت. اندازه گیری ها در دو زمان شهریور 92 و اردیبهشت 93 انجام شد تا تغییرات زمانی برخی از ویژگی های خاک نیز بررسی گردد. در شهریور سال 92، ویژگی های هیدرولیکی خاک (هدایت هیدرولیکی اشباع و غیراشباع، جذب پذیری و طول مویینگی درشت) با استفاده از نفوذسنج مکشی، مقاومت برشی خاک (چسبندگی) با استفاده از پره ی برشی، مقاومت فروروی خاک با استفاده از فروسنج جیبی، و روان آب و فرسایش خاک با استفاده از شبیه ساز باران قابل حمل اندازه گیری شد. هم چنین اندازه گیری های آزمایشگاهی شامل آب گریزی، درصد سنگ ریزه، بافت، ماده ی آلی، کربوهیدارت، درصد آهک و کلسیم، منیزیم، پتاسیم و سدیم محلول و هم چنین EC و pH در عصاره ی گل اشباع، رس قابل پراکنش، چگالی ظاهری و چگالی ظاهری نسبی خاک انجام شدند. در اردیبهشت سال 93 نیز ویژگی های هیدرولیکی خاک با استفاده از نفوذسنج مکشی و پارامترهای مقاومت برشی اشباع خاک (چسبندگی و زاویه ی اصطکاک داخلی) با استفاده از دستگاه برش پیچشی مزرعه ای و چگالی ظاهری خاک اندازه گیری شدند. مقدار ماده آلی خاک در مرتع بدون چرا و باغ گردو بیش ترین و در مرتع با چرای شدید کم ترین مقدار را داشت. روند تغییرات مقدار کربوهیدارت خاک نیز مشابه با ماده آلی خاک بود با این تفاوت که در مرتع بدون چرا بیش تر از باغ گردو بود. روند تغییرات چگالی ظاهری و چگالی ظاهری نسبی در کاربری های مختلف مشابه بوده و در کشاورزی دیم بیش تر از مرتع بدون چرا و باغ گردو بدست آمد. هدایت هیدرولیکی اشباع خاک در مرتع بدون چرا بیش تر از کشاورزی دیم بود در حالی که هدایت هیدرولیکی غیراشباع خاک در کشاورزی دیم به دلیل فراوانی خاکدانه های ریز و متوسط (ناشی از خاک ورزی) بیش تر از بقیه کاربری ها برآورد شد. طول مویینگی درشت در مکش های ماتریک 5، 10 و 15 سانتی متر در باغ گردو بیش تر از کاربری های مرتعی و در کاربری های مرتعی بیش تر از کشاورزی دیم، ولی در مکش ماتریک 2 سانتی متر و با روش برازش بهینه بیش ترین مقدار آن برای مرتع با چرای شدید و به ترتیب باغ گردو، کشاورزی دیم، مرتع با چرای متوسط و بدون چرا بدست آمد. جذب پذیری خاک در تمامی مکش ها برای کشاورزی دیم به دلیل آب گریزی کم تر و توزیع اندازه ی منافذ درشت تر بیش تر از سایر کاربری ها بدست آمد. چرای دام باعث کاهش مقدار ماده آلی و کربوهیدرات خاک، افزایش تراکم خاک (چگالی ظاهری، چگالی ظاهری نسبی و مقاومت فروروی)، افزایش pH خاک، کاهش هدایت هیدرولیکی اشباع، افزایش هدایت هیدرولیکی غیراشباع، افزایش طول مویینگی درشت، کاهش جذب پذیری آبی، کاهش منافذ درشت و افزایش منافذ ریز، کاهش سهم منافذ درشت در جریان آب، کاهش آب گریزی، افزایش چسبندگی در حالت اشباع و مکش ماتریک 2 سانتی متر و کاهش زاویه ی اصطکاک داخلی، افزایش رس قابل پراکنش خاک، و افزایش روان آب و فرسایش خاک شد. فصل یا زمان اندازه گیری (شهریور تا اردیبهشت) با تغییر در مقدار و نوع ماده آلی خاک و فرایندهای تر و خشک شدن و یخ و ذوب شدن، منجر به کاهش معنی دار چگالی ظاهری خاک شد. مقدار این تغییرات با افزایش شدت چرا دام کاهش و در کشاورزی دیم کم ترین مقدار را داشت. در باغ گردو نیز مقدار این تغییرات زمانی مشابه با مرتع بدون چرا بود. هم چنین تغییر فصل اندازه گیری از پاییز به بهار منجر به افزایش معنی دار هدایت هیدرولیکی اشباع و غیراشباع و جذب پذیری در مکش های ماتریک مختلف، کاهش معنی دار طول مویینگی درشت، افزایش تعداد منافذ درشت و کاهش تعداد منافذ ریز و افزایش سهم منافذ درشت در جریان آب در خاک شد. اثر برهم کنش زمان اندازه گیری و کاربری زمین بر چگالی ظاهری خاک معنی دار نشد. ولی اثر این بر هم کنش بر هدایت هیدرولیکی اشباع و غیراشباع، طول مویینگی درشت، جذب پذیری و تعداد منافذ خاک در مکش های ماتریک 5 و 10 سانتی متر معنی دار شد در حالی که این اثر برای ویژگی های گفته شده در مکش ماتریک 15 سانتی متر معنی دار نشد؛ بنابراین تغییرات این ویژگی ها در مکش ماتریک 15 سانتی متر تنها به دلیل تغییر کاربری زمین بوده است. در کل نتایج نشان داد که ویژگی های فیزیکی، هیدرولیکی و مکانیکی خاک در این منطقه به طور معنی داری تحت تاثیر نوع کاربری زمین قرار گرفت؛ چرای شدید در مراتع به شدت کیفیت خاک را کاهش داده و تغییرات زمانی ویژگی های هیدرولیکی نزدیک-اشباع خاک چشم گیر بود.