شبيه سازي ديناميك كربن آلي خاك تحت تأثير سناريوهاي مختلف فرسايش آبي و مديريت چرا در مراتع نيمه خشك باجگاه با استفاده از مدل Century

Simulating soil organic carbon dynamics as affected by different water erosion scenarios and grazing management in semi-arid rangelands of Bajgah using the Century model

سابقه و هدف: بيشتر مطالعات يك ارتباط قوي بين فرسايش آبي و هدرروي كربن آلي خاك را گزارش كردهاند، به طوري كه جابجايي و تغيير مكان كربن ناشي از فرسايش آبي يك فاكتور مهم تأثير گذار بر غلظت CO2 در اتمسفر بيان شده است. بنابراين فهميدن اثر فرآيند فرسايش آبي بر كربن آلي خاك اكوسيستم ضروري است. با توجه به اينكه ارزيابي اثرات فرسايش آبي بر ذخيره كربن آلي خاك در طولاني مدت بدون ابزار مدلسازي مشكل هست، مطالعه ديناميك كربن آلي خاك از طريق استفاده از مدل هاي شبيه سازي در تركيب با داده هاي اندازه گيري شده توصيه شده است. با توجه به اينكه مراتع ايران مساحت بزرگي از كشور را فراگرفته، مدل‌سازي اثر فرسايش آبي بر ديناميك كربن آلي خاك در مراتع مي‌تواند راهكارهاي مديريتي شايسته‌اي در اختيار سازمان‌هاي مرتبط قرار دهد. تاكنون در ايران مدل‌سازي كربن آلي خاك تحت تأثير فرسايش آبي انجام نشده است و اين بررسي مي‌تواند زيربناي آينده مدل‌سازي كربن آلي خاك باشد. بنابراين تحقيق حاضر با هدف 1) بهبود اعتبارسنجي مدل Century به عنوان پركاربردترين مدل در مطالعات كربن خاك با استفاده از خروجي سه مدل فرسايش آبي GLEAMS، WEPP و ANSWERS و 2) شبيه سازي ديناميك ذخيره كربن آلي خاك تحت تأثير دو سناريو فرسايشي در مراتع نيمه خشك باجگاه انجام گرفت. مواد و روش ها: براي انجام اين تحقيق تعداد 60 نمونه خاك به روش نمونه برداري تصادفي از عمق 20-0 سانتيمتري از سطح مراتع نيمه خشك باجگاه برداشت شد. جهت تعيين وزن مخصوص ظاهري خاك دو نمونه سيلندر در كنار هر گودال خاك (به طوركلي 120 نمونه) برداشته شد. پس از تعيين حجم نمونه گيري پوشش گياهي (تعداد پلات)؛ بيومس بالازميني، لاشبرگ و بيومس زيرزميني موجود در 17 پلات جمع آوري و به آزمايشگاه منتقل شدند. ببا استفاده از 43 سال داده هاي هواشناسي ايستگاه هواشناسي، دادههاي ويژه سايت و همچنين مقادير پارامترهاي فيزيولوژيكي و اكولوژيكي مرتع، پارامتريابي و كاليبره كردن مدل Century انجام شد. سپس ميانگين ميزان دراز مدت فرسايش آبي شبيه سازي شده توسط سه مدل فرسايشي WEPP، GLEAMS و ANSWERS به عنوان ورودي در مدل وارد گرديدند. در نهايت يك مدل فرسايش آبي كه ميزان فرسايش شبيه سازي شده توسط آن موجب بهبود نتايج اعتبارسنجي مدل Century شد، انتخاب گرديد و سپس اثر دو سناريو فرسايش آبي بر تغييرات كربن آلي خاك براي دو دوره مديريت چراي دام مورد بررسي قرار گرفت. يافته ها: نتايج شبيه سازي نشان داد كه استفاده از خروجي مدل GLEAMS باعث شده كه مدل Century، ذخيره كربن آلي خاك را به طور دقيق تري پيشبيني كند. بنابراين از خروجي مدل فرسايشي GLEAMS براي شبيه سازي تغييرات ذخيره كربن آلي خاك تحت تأثير فرسايش آبي داستفاده شد. نتايج شبيه سازي هاي مدل Century نشان داد كه ذخيره كربن آلي خاك در مراتع باجگاه طي دوره II با مديريت چراي متوسط دام از 3496 تا 3260/93 (گرم بر سانتيمترمربع) و از 3496 تا 3243/90 به ترتيب در سناريوهاي بدون فرسايش و فرسايش كاهش يافته است و تفاوت معنيداري (0/05

Background and Objectives: Most studies have reported a strong relationship between water erosion and soil organic carbon (SOC) losses, so that carbon displacement caused by water erosion stated as an important factor affecting the concentration of CO2 in the atmosphere. Therefore, understanding water erosion processes effect on SOC within an ecosystem is essential. Since evaluating the impacts of water erosion on SOC stock dynamic in long-term is difficult without modeling tool, studying of SOC dynamic through use of simulation models in combination with measured data is recommended. Considering that rangelands of Iran have taken a large part of the country, modeling the effect of water erosion on SOC dynamics in rangelands can provide appropriate management solutions for related organizations. The SOC modeling has not been conducted under the influence of water erosion, and this study could be basis for the future of SOC modeling. Therefore, the present study aims to: 1) improve the validation of the Century model as the most widely used model in the soil carbon studies, by using the output of three water erosion models of GLEAMS, WEPP, and ANSWERS, and 2) simulating the SOC stock dynamic under the influence of two erosion scenarios in the semi-arid rangelands of Bajgah. Materials and Methods: To conduct this research, 60 soil samples were taken by randomized sampling methodfrom a depth of 0-20 cm of soil in the semi-arid rangelands of Bajgah. To determine the soil bulk density, two cylinders were collected beside each soil puddle (120 samples). After determining the volume of vegetation sampling (number of plots); aboveground biomass, litter and belowground biomass were collected in 17 plots then transferred to the laboratory. Parameterization and calibrating the Century model was performed by using 43 years of weather data, site specific data, as well as physiological and ecological parameters of rangeland. Then, the long-term average of water erosion rate simulated by WEPP, GLEAMS and ANSWERS erosion models entered as input in the Century model. Finally, a water erosion model, that its simulated erosion rate improves the validation results of the Century model, was selected then illustrated the effect of two water erosion scenarios on the changes of SOC stock for two periods of grazing management including period of nationalization of rangelands with moderate grazing management. Results: The simulation results showed that use of the GLEAMS model output made the Century model more accurately predict SOC stock. Therefore, the GLEAMS erosion model output was used for simulate the SOC stock variations under the influence of water erosion. The simulation results of the Century model showed that the SOC stock in the Bajgah rangelands during the II period with moderate grazing management, decreased from 3496 to 3260.93 (g cm-2) and 3496 to 3243.90 (g cm-2) in the no-erosion and erosion scenarios, respectively and there was no significant difference between them (p<0.05). Also during the III period with no grazing management, SOC stock decreased from 3245.30 to 3356.04 (g cm-2) and 3227.37 to 3350.42 (g cm-2) in the no-erosion and erosion scenarios, respectively and there was no significant difference between them (p <0.05). Generally, water erosion decreased the SOC stock in the semi-arid rangelands of Bajgah compared with the non-erosion scenario by 0.52% and 0.16% in the end of periods II and III, respectively. The erosion resulted in a slight reduction in SOC stock in the semi-arid rangelands of Bajgah compared to the non-erosion scenario. Based on the results of this study, it can be state that the role of grazing management than the erosion in the changes and losses of SOC stock was more evident in the semi-arid rangelands of Bajgah.