بررسی فرآیندهای تغییر و تحول و تنفس میکروبی خاک در امتداد یک مخروط‌افکنه نیمه‌خشک در شمال شرق ایران

آب و خاک

مقاله 6، دوره 37، شماره 5 - شماره پیاپی 91، آذر و دی 1402، صفحه 733-749   

نوع مقاله: مقالات پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jsw.2023.83632.1313

نویسندگان

مهوان حسن زاده بشتیان¹؛ علیرضا کریمی کارویه^{* 1}؛ عادل سپهر²؛ امیر لکزیان¹؛ امید بیات³

¹گروه مهندسی علوم خاک، دانشکده کشاورزی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران

²گروه مدیریت مناطق خشک و بیابانی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران

³گروه جغرافیا، دانشگاه زوریخ، زوریخ، سوئیس

چکیده

خاک‌ها با اشکال اراضی که بر روی آن‌ها تکامل می‌یابند، ارتباط تنگاتنگ دارند و ویژگی‌های آن‌ها به نوبه خود بر تکامل ژئوفرم‌ها تأثیر می‌گذارد. این پژوهش به بررسی تغییر و تحول خاک در امتداد گرادیان ارتفاعی یک مخروط‌افکنه نیمه‌خشک در جنوب رشته‌کوه بینالود در شمال شرق ایران پرداخته است. همچنین، تأثیر فرآیندهای خاک بر تنفس میکروبی مورد بررسی قرار گرفت. بدین منظور در بخش بالایی، میانی و قاعده مخروط‌افکنه، هر کدام، یک خاکرخ شاهد تشریح و از افق‌های آنها نمونه‌برداری شد. آزمایش‌های معمول فیزیکی و شیمیایی، میکرومورفولوژی و تنفس میکروبی بر روی نمونه‌ها انجام شد. همچنین، طبقه‌بندی خاکرخ‌های مطالعاتی براساس دو سامانه آمریکایی و جهانی صورت گرفت. در هر سه خاکرخ، توالی‌های رسوبگذاری و خاک‌سازی مشاهده شد. افق‌های وزیکولار (V)، آرجیلیک (Bt)، آرجیلیک-کلسیک (Btk)، کلسیک (BCk) و کمبیک (Bw) شناسایی شدند. هر دو سامانه بخش بالایی را در طبقه‌بندی متمایزی از دو بخش دیگر قرار دادند. خاک‌های میانه و قاعده مخروط­افکنه براساس سامانه رده‌بندی آمریکایی در زیرگروه ‏Xeric Calciargids‏ قرار گرفتند، در حالی‌که خاکرخ ‏بالایی را در Xeric Haplocambids قرار داد. در هر سه خاکرخ افق وزیکولار نازک در زیر سنگفرش بیابانی، تشکیل شده بود. در زیر افق وزیکولار، شواهد پوسته‌های رسی، نودول‌های کربنات پدوژنیک و اگزالات‌های کلسیم در ریشه‌ها در مقاطع نازک مشاهده شد. این شواهد نشان‌دهنده نقش پوسته‌های زیستی در تشکیل این ویژگی‌ها است. در افق‌های زیرین خاکرخ‌ها، نودول‌های کربنات پدوژنیک، پندانت‌های آهکی و پوسته‌های رسی مشاهده شد. وجود توالی‌های رسوبگذاری و افق‌های کلسیک و آرجیلیک، نشان‌دهنده تشکیل آن‌ها در تناوب تغییرات اقلیمی است. به‌نظر می‌رسد که خاک رویین در هر سه خاکرخ، در دوره‌های مرطوب‌تر هولوسن تشکیل شده‌ است و پوسته‌های زیستی هم در فرآیندهای آهکی شدن و انتقال و تجمع رس نقش داشته‌اند. افق‌های آرجیلیک در لایه‌های زیرین، در دوره‌های پایدار پلئیستوسن انتهایی تشکیل شده‌‌اند. مطالعه تنفس میکروبی خاک در افق‌های مختلف نشان داد که در افق‌های آرجیلیک میزان تنفس میکروبی کاهش یافته است؛ در حالی که در افق‌های کلسیک افزایش داشته است. پیشنهاد می‌شود در مطالعات بعدی مقادیر اجزای کربن در ارتباط با زیست­توده میکروبی در افق‌ها و خاک‌های قدیمی ‏بررسی گردد.‏

کلیدواژه‌ها

افق آرجیلیک؛ افق وزیکولار؛ اگزالات‌ کلسیم؛ پوسته زیستی؛ میکرومورفولوژی خاک

مراجع

1. Allison, L. E., & Moodie, C. D. (1965). Carbonate. Methods of Soil Analysis: Part 2 Chemical and Microbiological Properties, 9, 1379-1396. https://doi.org/10.2134/agronmonogr9.2.c40
2. Anderson, J.P.E. (1982). Soil respiration. InA. L. Page (ed). Methods of Soil Analysis. Part 2. Chemical and Microbiological Properties. http://doi.org/10.2134/agronmonogr9.2.2ed
3. Bashtian, M.H., Sepehr, A., Farzam, M., & Bahreini, M. (2019). Biological soil crusts, plant functional groups, and soil parameters in arid areas of Iran. Polish Journal of Ecology, 66(4), 337-351. https://doi.org/10.3161/15052249PJE2018.66.4.003
4. Bayat, O., Karimzadeh, H., Eghbal, M., & Khademi, H. (2013). Pedogeomorphic evolution of an alluvial fan in central Iran. Journal of Range and Watershed Managment, 66(2), 191-206. (In Persian). https://doi.org/10.22059/jrwm.2013.35572
5. Bockheim, J.G., & Hartemink, A.E. (2013). Distribution and classification of soils with clay-enriched horizons in the USA. Geoderma, 209, 153-160. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2013.06.009
6. Bullock, P., Fedoroff, N., Jongerius, A., Stoops, G., & Tursina, T. (1985). Handbook for soil thin section description. Waine Research.
7. Buol, S.W., Southard, R.J., Graham, R.C., & McDaniel, P.A. (2011). Soil genesis and classification. John Wiley & Sons. https://www.wiley.com/en-us/Soil Genesis and Classification
8. Dietze, M., Dietze, E., Lomax, J., Fuchs, M., Kleber, A., & Wells, S.G. (2016). Environmental history recorded in aeolian deposits under stone pavements, Mojave Desert, USA. Quaternary Research, 85(1), 4-16. https://doi.org/10.1016/j.yqres.2015.11.007
9. Dowlatabadi, S., Amirabadizadeh, M., & Zarei, M. (2022). Evaluation of WetSpass-M model for estimation of hydrological response of Neyshabur-Rookh watershed to climate change of future years. Water and Soil. (In Persian). https://doi.org/10.22067/JSW.2022.78598.1199
10. Gee, G.W., & Bauder, J.W. (1986). Particle‐size analysis. Methods of soil analysis: Part 1 Physical and mineralogical methods, 5, 383-411. https://doi.org/10.2136/sssabookser5.1.2ed.c15
11. Ghaemi, F. (1994). Geological map of Neyshabur, 1:100000 scale, Ministry of Mines and Metals, Geological Organization of Iran.
12. Ghasemzadeh Ganjehie, M., Karimi, A.R., Zeinadini, A., & Khorasani, R. (2017). Investigationof clay mineralogy, micromorphology and evolution of soils in Bajestan Playa. Water and Soil, 30(6), 2046-2059. (In Persian). https://doi.org/22067/JSW.V30I6.51463
13. Gunal, H., & Ransom, M.D. (2006). Clay illuviation and calcium carbonate accumulation along a precipitation gradient in Kansas. Catena, 68(1), 59-69. https://doi.org/10.1016/j.catena.2006.04.027
14. He, Z.B., Chen, L.F., Du, J., Zhu, X., Lin, P.F., Li, J., & Xiang, Y.Z. (2018). Responses of soil organic carbon, soil respiration, and associated soil properties to long‐term thinning in a semiarid spruce plantation in northwestern China. Land Degradation & Development, 29(12), 4387-4396. https://doi.org/10.1002/ldr.3196
15. IUSS Working Group WRB. (2022). World Reference Base for Soil Resources. International soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps. 4 edition. International Union of Soil Sciences (IUSS), Vienna, Austria. https://www.iuss.org/publications/iuss-alerts-2021-2022/iuss-alert-205-july-2022/
16. Jenny, H. (1981). The Soil Resource-Origin and Behavior. Ecological Studies 37. Soil Science, 132(5), 380. https://journals.lww.com/soilsci/Citation/1981/11000/The_Soil_Resource_Origin_and_Behavior__Ecological.10.aspx
17. Johnson, D.L., & Watson-Stegner, D. (1987). Evolution model of pedogenesis. Soil Science, 143(5), 349-366. https://journals.lww.com/soilsci/Abstract/1987/05000/EVOLUTION_MODEL_OF_PEDOGENESIS.5.aspx
18. Karimi, A., Frechen, M., Khademi, H., Kehl, M., & Jalalian, A. (2011). Chronostratigraphy of loess deposits in northeast Iran. Quaternary International, 234(1-2), 124-132. https://doi.org/10.1016/j.quaint.2009.08.002
19. Khormali, F., Abtahi, A., Mahmoodi, S., & Stoops, G. (2003). Argillic horizon development in calcareous soils of arid and semiarid regions of southern Iran. Catena, 53(3), 273-301. https://doi.org/10.1016/S0341-8162(03)00040-7
20. Le Quéré, C., Moriarty, R., Andrew, R. M., Peters, G. P., Ciais, P., Friedlingstein, P., ... & Zeng, N. (2015). Global carbon budget 2014. Earth System Science Data, 7(1), 47-85. DOI: https://doi.org/10.5194/essd-7-47-2015
21. Liu, T., Peng, D., Tan, Z., Guo, J., & Zhang, Y. (2021). Effects of stand density on soil respiration and soil labile organic carbon and their influence mechanism in Larix Principis-Rupprechtii plantations. https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-143559/v1
22. McFadden, L.D. (2013). Strongly dust-influenced soils and what they tell us about landscape dynamics in vegetated aridlands of the southwestern United States. https://doi.org/10.1130/2013.2500(15)
23. Nelson, D.W., & Sommers, L.E. (1996). Total carbon, organic carbon, and organic matter. Methods of soil analysis: Part 3 Chemical methods, 5, 961-1010. https://doi.org/10.2136/sssabookser5.3.c34
24. Omran, E.S.E. (2016). A simple model for rapid gypsum determination in arid soils. Modeling Earth Systems and Environment, 2, 1-12. https://doi.org/10.1007/s40808-016-0242-3
25. Ponti, D.J. (1985). The quaternary alluvial sequence of the Antelope Valley, California. Geological Society of America Special Paper, 203, 79-96. https://pubs.geoscienceworld.org/gsa/books/book/339/chapter pdf/965614/spe203-0079.pdf
26. Rashidi, Z., Karimi, A., Murray, A., Khormali, F., Farpoor, M.H., & Sohbati, R. (2022). Late Pleistocene–Holocene pedogenesis and palaeoclimate in western Asia from palaeosols of the Central Iranian Plateau. Boreas, 51(1), 201-218. https://doi.org/10.1111/bor.12541
27. Schaetzl, R.J., & Thompson, M.L. (2015). Soils. Cambridge university press. https://www.cambridge.org/ir/universitypress/subjects/earth-and-environmental-science/soil-science/soils-genesis-and-geomorphology-2nd-edition
28. Schulz, M., Stonestrom, D., Von Kiparski, G., Lawrence, C., Masiello, C., White, A., & Fitzpatrick, J. (2011). Seasonal dynamics of CO₂ profiles across a soil chronosequence, Santa Cruz, California. Applied Geochemistry, 26, S132-S134. https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2011.03.048
29. Schoeneberger, P.J., Wysocki, D.A., & Benham, E.C. (Eds.). (2012). Field book for describing and sampling soils. Government Printing Office.
30. Soil Survey Staff. (2022). Keys to Soil Taxonomy, 13th ed. USDA-Natural Resources Conservation Service. https://www.nrcs.usda.gov/resources/guides-and-instructions/keys-to-soil-taxonomy
31. Stock, J.D., Schmidt, K.M., & Miller, D.M. (2008). Controls on alluvial fan long-profiles. Geological Society of America Bulletin, 120(5-6), 619-640. https://doi.org/10.1130/B26208.1
32. Stoops G. (2003). Guidelines for analysis and description of soil and Regolith thin sections. Soil Science Society of America. Inc. Madison, Wisconsin. 184p.
33. Stoops, G. (2018). Micromorphology as a tool in soil and regolith studies. In Interpretation of micromorphological features of soils and regoliths (pp. 1-19). Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-444-63522-8.00001-2
34. Sugden, A., Stone, R., & Ash, C. (2004). Ecology in the underworld. Science, 304(5677), 1613-1613. https://doi.org/10.1126/science.304.5677.1613
35. Sun, F., Xiao, B., Li, S., Yu, X., Kidron, G.J., & Heitman, J. (2023). Direct evidence and mechanism for biocrusts-induced improvements in pore structure of dryland soil and the hydrological implications. Journal of Hydrology, 129846. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2023.129846
36. Tanner, L.H. (2010). Continental carbonates as indicators of paleoclimate. Developments in Sedimentology, 62, 179-214. https://doi.org/10.1016/S0070-4571(09)06204-9
37. Trumbore, S., Da Costa, E.S., Nepstad, D.C., Barbosa De Camargo, P., Martinelli, L. A., Ray, D., ... & Silver, W. (2006). Dynamics of fine root carbon in Amazonian tropical ecosystems and the contribution of roots to soil respiration. Global Change Biology, 12(2), 217-229. https://doi.org/10.1111/j.1365-2486.2005.001063.x
38. Ufnar, D. F. (2007). Clay coatings from a modern soil chronosequence: a tool for estimating the relative age of well-drained paleosols. Geoderma, 141(3-4), 181-200. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2007.05.017
39. Weber, B., Belnap, J., Büdel, B., Antoninka, A. J., Barger, N.N., Chaudhary, V.B., ... & Bowker, M.A. (2022). What is a biocrust? A refined, contemporary definition for a broadening research community. Biological Reviews, 97(5), 1768-1785. https://doi.org/10.1111/brv.12862
40. Weldmichael, T.G., Michéli, E., Fodor, H., & Simon, B. (2020). The influence of depth on soil chemical properties and microbial respiration in the upper soil horizons. Eurasian Soil Science, 53(6), 780-786. https://doi.org/10.1134/S1064229320060137
41. Williams, A.J., Buck, B.J., & Beyene, M.A. (2012). Biological soil crusts in the Mojave Desert, USA: micromorphology and pedogenesis. Soil Science Society of America Journal, 76(5), 1685-1695. https://doi.org/10.2136/sssaj2012.0021
42. Wood, B.D., Keller, C.K., & Johnstone, D.L. (1993). In situ measurement of microbial activity and controls on microbial CO₂ production in the unsaturated zone. Water Resources Research, 29(3), 647-659. https://doi.org/10.1029/92WR02315
43. Xiao, B., Bowker, M.A., Zhao, Y., Chamizo, S., & Issa, O.M. (2022). Biocrusts: Engineers and architects of surface soil properties, functions, and processes in dryland ecosystems. Geoderma, 424, 116015. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2022.116015
44. Ziyaee, A., Karimi, A., Lakzian, A., & Khademi, H. (2018). Dust deposition rate and its relationship to some climatic parameters in Khorasan Razavi province. Journal of Geography and Environmental Hazards, 7(2), 95-114. (In Persian). https://doi.org/10.22067/GEO.V7I2.66306