بررسی اثر آتش سوزی در مراتع بر تغییرات کربن آلی خاک با استفاده از شاخص های مبتنی بر سنجش‌ازدور

سنجش‌ازدور و سامانه اطلاعات جغرافیایی در منابع طبیعی

مقاله 5، دوره 12، شماره 3 - شماره پیاپی 44، مهر 1400، صفحه 82-100   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.30495/girs.2021.680597

نویسندگان

سمیه ساعتی زارعی¹؛ بهناز عطائیان^{* 2}

¹دانشجوی کارشناسی ارشد مرتع‌داری، دانشکده منابع طبیعی و محیط ‌زیست، دانشگاه ملایر، ایران

²استادیار گروه مهندسی طبیعت، دانشکده منابع طبیعی و محیط‌ زیست، دانشگاه ملایر، ایران

چکیده

پیشینه و هدف مراتع جزء آن دسته از زیست بوم های طبیعی هستند که بخش مهمی از ذخایر کربن خاک را به خود اختصاص داده اند و علاوه بر آن به‌عنوان ذخیره ژنتیکی بسیار متنوعی، تضمین‌ کننده پویایی اکوسیستم می باشند. آتش سوزی یک عامل طبیعی در مراتع به شمار می رود که طی آن اکثر پوشش های طبیعی موجود می سوزند. بررسی اثرات مثبت و منفی آتش سوزی بر اکوسیستم به‌ویژه بر خصوصیات خاک محققین را بر آن داشته تا به دنبال روش های جایگزینی، به‌جای روش های مستقیم و میدانی که عموماً بسیار پرهزینه و وقت گیر هستند، باشند. ازجمله روش ها و فناوری های نوینی که در زمینه منابع طبیعی بسیار پرکاربرد و مفید هستند می توان به سنجش‌ازدور اشاره کرد. هدف از پژوهش حاضر بررسی اثر کوتاه ‌مدت آتش‌سوزی بر ذخیره کربن آلی، اسیدیته و هدایت الکتریکی خاک مراتع در منطقه گنبد همدان و بررسی قابلیت سنجش ‌از دور در برآورد غیرمستقیم کربن خاک سطحی در مراتع نیمه ‌خشک پس از وقوع آتش ‌سوزی است.
مواد و روش هادر این تحقیق از هر سایت 20 نمونه خاک از عمق 0-10 سانتی متری (درمجموع 40 نمونه) برداشت شد و با دستگاه GPS مختصات تک تک نقاط نمونه برداری ثبت گردید. نمونه‌برداری ‌ها در فاصله 15 الی 20 روز پس از وقوع آتش ‌سوزی در اوایل مهرماه انجام پذیرفت. نمونه ها پس از انتقال به آزمایشگاه جهت اندازه گیری میزان کربن آلی خاک مورداستفاده قرار گرفتند. سپس ارتباط آماری بین مناطق شاهد با مناطق دچار آتش‌سوزی با آزمون t مستقل موردبررسی و تجزیه‌وتحلیل قرار گرفت. همچنین برآورد غیرمستقیم میزان کربن آلی خاک سطحی در دو سایت شاهد و دچار آتش‌سوزی شده و بررسی روند تغییرات آن ها با استفاده از سنجش‌ازدور تصاویر ماهواره ای مورد ارزیابی قرار گرفت. به همین منظور پس از انجام پردازش های لازم بر روی‌داده‌های ماهواره ای، مقادیر متناظر بازتاب طیفی هر پیکسل با نقاط نمونه برداری در طول‌موج‌ها و شاخص های طیفی مختلف استخراج، و میزان همبستگی و ارتباط رگرسیونی هر یک از آن ‌ها با میزان کربن مورد تجزیه ‌و تحلیل قرار گرفت.
نتایج و بحث نتایج حاصل از آزمون همبستگی پیرسون نشان داد که در بین تمام شاخص ها طیفی تنها شاخص HI با کربن آلی خاک در کوتاه ‌مدت و در منطقه شاهد همبستگی داشته است. همچنین در بین تمام شاخص ها، شاخص های BI، NDBI، NDVI، SAVI، VCI و VHI با مقدار EC در سایت شاهد همبستگی داشتند. در سایت شاهد بین اکثر شاخص های طیفی و EC خاک همبستگی معنی داری وجود داشت که پس از آتش سوزی این همبستگی در سایت آتش سوزی از بین رفته بود. در مورد همبستگی بین pH و شاخص های طیفی مشاهده گردید بین برخی از شاخص های طیفی و pH همبستگی به وجود آمده است. درواقع می توان نتیجه گرفت که آتش‌سوزی باعث تغییر بزرگی در میزان انعکاس و انتشار امواج از سطح خاک گردیده است به ‌گونه ‌ای که در سایت شاهد شاخص ها با EC همبستگی داشتند اما در سایت آتش سوزی همبستگی بین شاخص ها و EC به‌طور کامل از بین رفته است و در عوض بین شاخص ها و pH همبستگی ایجاد گردیده است. همچنین هیچ‌یک از شاخص های طیفی در فروردین 1396 در سایت شاهد با SOC همبستگی مثبت یا منفی معنی داری نداشتند و نتایج بیانگر این موضوع بود که پس از گذشت شش ماه از وقوع آتش سوزی تغییرات کربن خاک به‌گونه‌ای نبوده است که بتوان با شاخص های طیفی روند آن را بررسی کرد. در مقایسه نتایج مهر 1395 با نتایج فروردین 1396 در سایت شاهد مشخص گردید که پس از گذشت شش ماه شاخص NBR همبستگی معنی داری با میزان EC پیدا کرده است اما شاخص های BI و VHI همبستگی خود را ازدست ‌داده ‌اند. با توجه به بحث صورت گرفته در مورد شاخص NBR و حضور باند SWIR2 در آن به نظر می رسد باگذشت شش ماه از وقوع آتش‌سوزی، در سایت شاهد تغییراتی به وجود آمده که منجر به ایجاد همبستگی بین این شاخص و EC خاک گردیده است. ازآنجاکه مقدار انرژی بازتابی از سطح زمین به عوامل متعددی نظیر رطوبت خاک، تغییر محتوی ماده آلی خاک و پوشش سطح وابسته است لذا باید تأثیر این عوامل را در فصل رویش بر روی بازتاب خاک مدنظر قرارداد. عدم‌ تغییر این نتایج پس از گذشت شش ماه می تواند این موضوع را به اثبات برساند که اثرات مثبت و منفی آتش سوزی در دوره ای کوتاه‌مدت در حد شش ماه از بین نرفته و زمان طولانی تری برای بازگشت شرایط به حالت طبیعی نیاز است.
نتیجهگیری مطابق با بررسی های صورت گرفته مشخص گردید که ذخیره کربن آلی خاک در مراتع آتش سوزی شده با مراتع شاهد دارای تفاوت معنی‌داری نیست. تغییر شکل و تثبیت مواد آلی خاک در اثر آتش توسط محققین زیادی مورد بررسی و توجه قرارگرفته است اما تبدیل و دگرگونی ماده آلی خاک در اثر آتش‌سوزی، اغلب منجر به نتایج ناهمگون و متفاوتی گردیده است. مشخص‌شده است در عمق 20-10 سانتی متری آتش سوزی تأثیری در میزان کربن آلی خاک نداشته است اما محققین دیگری مشخص کردند 6 ماه پس از آتش‌سوزی در خاک های سوخته در مقایسه با خاک های شاهد میزان کربن افزایش داشته است. مشخص‌شده است که سه ماه پس از آتش سوزی درصد کربن آلی خاک به ‌صورت معنی داری کاهش داشته است. همچنین در بررسی دیگری بر روی اثر آتش‌سوزی بر کربن آلی خاک مشخص‌شده است که در منطقه دچار آتش سوزی نسبت به منطقه شاهد در یک سال و دو سال پس از آتش سوزی میزان کربن آلی خاک کاهش معنی داری داشته است. ازآنجاکه اثر آتش سوزی بر خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک به‌شدت تحت تأثیر شدت آتش ‌سوزی، رطوبت خاک، اقلیم و پوشش گیاهی است. لذا تمام این عوامل منجر به حصول نتایج متفاوت در بررسی تأثیر آتش سوزی بر کربن آلی خاک گردیده است. با توجه به شرایط محیطی، اقلیم، شیب منطقه، بافت و ساختمان خاک و عوامل مرتبط با آتش‌ سوزی نظیر شدت و مدت آن، مقدار کربن خاک تغییر کرده است. برای مثال در صورت وقوع آتش‌سوزی متوسط شرایط برای رویش مجدد پوشش گیاهی سریع تر فراهم گردیده است اما در صورت وقوع آتش‌ سوزی‌ های شدید به ‌طور کلی تمام لایه آلی سطح خاک از بین رفته است و به ‌مرور کربن کاهش داشته است. همچنین در بررسی همبستگی بین شاخص های طیفی و کربن آلی خاک مشخص گردید تنها شاخص HI با کربن آلی خاک در سایت شاهد معنی دار بوده است اما در سایت دچار آتش‌سوزی هیچ‌ گونه همبستگی مشاهده نشده است. این امر را می توان به بررسی طیف طول‌موج ‌های مرئی آبی و سبز در رابطه ریاضی این شاخص بررسی کرد، زیرا تنها در این شاخص از طیف طول ‌موج سبز و آبی استفاده گردیده است. با توجه به نتایج سایر محققین به نظر می رسد تخمین کربن آلی خاک با استفاده از سنجش ‌از دور دارای پیچیدگی های خاصی است. ازآنجاکه کربن آلی خاک با بیشترین تأثیر خود را بر روی رنگ خاک می گذارد، لذا اگر مقدار آن کم باشد با استفاده از سنجش ‌از دور امکان تخمین آن ضعیف است.

کلیدواژه‌ها

آتش سوزی؛ مرتع؛ کربن آلی خاک؛ شاخص های طیفی؛ سنجش ‌از دور

مراجع

Ashrafi-Saeidlou S, Rasouli-Sadaghiani MH. 2015. The effects of fire on soil organic carbon quantity and nutrients availability in Sardasht Oak forests. Applied Soil Research, 2(2): 28-39. https://doi.org/10.17221/17213/12018-JFS. (In Persian).

Caon L, Vallejo VR, Ritsema CJ, Geissen V. 2014. Effects of wildfire on soil nutrients in Mediterranean ecosystems. Earth-Science Reviews, 139: 47-58. doi:https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2014.09.001.

Certini G. 2005. Effects of fire on properties of forest soils: a review. Oecologia, 143(1): 1-10. doi:https://doi.org/10.1007/s00442-004-1788-8.

Chansuk U. 1990. Effects of fire frequencies on soil properties in dry dipterocarp forest at Sakaerat, Changwat Nakhon Ratchasima. https://agris.fao.org/agris-search/search.do?recordID=TH9520517.

Dai X, Boutton T, Glaser B, Ansley R, Zech W. 2005. Black carbon in a temperate mixed-grass savanna. Soil Biology and Biochemistry, 37(10): 1879-1881. doi:https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2005.02.021

Dehni A, Lounis M. 2012. Remote sensing techniques for salt affected soil mapping: application to the Oran region of Algeria. Procedia Engineering, 33: 188-198. doi:https://doi.org/10.1016/j.proeng.2012.01.1193.

Escuin S, Navarro R, Fernandez P. 2008. Fire severity assessment by using NBR (Normalized Burn Ratio) and NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) derived from LANDSAT TM/ETM images. International Journal of Remote Sensing, 29(4): 1053-1073. doi:https://doi.org/10.1080/01431160701281072.

Fatemi SB, Rezaie Y. 2018. Principles of Remote Sensing. Azadeh Publisher Tehran. 350 p. https://isa.ir/s/mfaotF.

Fynn R, Haynes R, O'connor T. 2003. Burning causes long-term changes in soil organic matter content of a South African grassland. Soil Biology and Biochemistry, 35(5): 677-687. doi:https://doi.org/10.1016/S0038-0717(03)00054-3.

Gholami P, Ghorbani J, Abbasi H. 2015. Effect of fire vegetation on some properties of soil in rangelands of Bamo national park in Shiraz. Natural Ecosystems of Iran, 5(2): 41-50. https://www.sid.ir/en/Journal/ViewPaper.aspx?ID=455022. (In Persian).

González-Pérez JA, González-Vila FJ, Almendros G, Knicker H. 2004. The effect of fire on soil organic matter-a review. Environment International, 30(6): 855-870. doi:https://doi.org/10.1016/j.envint.2004.02.003.

Heidary J, Ghorbani Dashtaki S, Raiesi F, Tahmasebi P. 2014. Pool and dynamics of soil carbon after firing the semi steppe rangelands of Chaharmahal and Bakhtiari. Water and Soil Science, 23(4): 251-264. https://water-soil.tabrizu.ac.ir/mobile/article_901.html?lang=en. (In Persian).

Knicker H. 2007. How does fire affect the nature and stability of soil organic nitrogen and carbon? A review. Biogeochemistry, 85(1): 91-118. doi:https://doi.org/10.1007/s10533-007-9104-4.

Mirzaee S, Ghorbani-Dashtaki S, Mohammadi J, Asadi H, Asadzadeh F. 2016. Spatial variability of soil organic matter using remote sensing data. Catena, 145: 118-127. doi:https://doi.org/10.1016/j.catena.2016.05.023.

Mohammadian A, Borujeni E, Ebrahimi A, Tahmasebi P, Naghipour AA. 2020. Effect of integrated fire period and intensity grazing on plant species diversity in the semi-steppe rangeland of Chaharmahal and Bakhtiari province. Iranian Journal of Range and Desert Research, 27(1): 84-97. https://www.cabdirect.org/cabdirect/abstract/20203321071. (In Persian).

Mondal A, Khare D, Kundu S, Mondal S, Mukherjee S, Mukhopadhyay A. 2017. Spatial soil organic carbon (SOC) prediction by regression kriging using remote sensing data. The Egyptian Journal of Remote Sensing and Space Science, 20(1): 61-70. doi:https://doi.org/10.1016/j.ejrs.2016.06.004.

Nazari F, Hosseini V, Shabanian N. 2012. Effect of fire severity on organic carbon, total nitrogen and available phosphorus of forest soils (Case study: Marivan). Iranian Journal of Forest and Poplar Research, 20(1): 25-37. https://www.cabdirect.org/cabdirect/abstract/20133071198. (In Persian).

Neary DG, Klopatek CC, DeBano LF, Ffolliott PF. 1999. Fire effects on belowground sustainability: a review and synthesis. Forest Ecology and Management, 122(1-2): 51-71. doi:https://doi.org/10.1016/S0378-1127(99)00032-8

Pansu M, Gautheyrou J. 2007. Handbook of soil analysis: mineralogical, organic and inorganic methods. Springer Science & Business Media. https://doi.org/10.1017/S0014479707005042.

Pinty B, Verstraete M. 1992. GEMI: a non-linear index to monitor global vegetation from satellites. Vegetatio, 101(1): 15-20. doi:https://doi.org/10.1007/BF00031911.

Rani M, Kumar P, Pandey PC, Srivastava PK, Chaudhary B, Tomar V, Mandal VP. 2018. Multi-temporal NDVI and surface temperature analysis for Urban Heat Island inbuilt surrounding of sub-humid region: A case study of two geographical regions. Remote Sensing Applications: Society and Environment, 10: 163-172. doi:https://doi.org/10.1016/j.rsase.2018.03.007.

Rigge M, Homer C, Cleeves L, Meyer DK, Bunde B, Shi H, Xian G, Schell S, Bobo M. 2020. Quantifying western US rangelands as fractional components with multi-resolution remote sensing and in situ data. Remote Sensing, 12(3): 412. doi:https://doi.org/10.3390/rs12030412.

Schuman G, Janzen H, Herrick J. 2002. Soil carbon dynamics and potential carbon sequestration by rangelands. Environmental Pollution, 116(3): 391-396. doi:https://doi.org/10.1016/S0269-7491(01)00215-9.

Shi H, Rigge M, Homer CG, Xian G, Meyer DK, Bunde B. 2018. Historical cover trends in a sagebrush steppe ecosystem from 1985 to 2013: links with climate, disturbance, and management. Ecosystems, 21(5): 913-929. doi:https://doi.org/10.1007/s10021-017-0191-3.

Sholihah RI, Trisasongko BH, Shiddiq D, La Ode SI, Kusdaryanto S, Panuju DR. 2016. Identification of agricultural drought extent based on vegetation health indices of landsat data: case of Subang and Karawang, Indonesia. Procedia Environmental Sciences, 33: 14-20. doi:https://doi.org/10.1016/j.proenv.2016.03.051.

Verma S, Jayakumar S. 2012. Impact of forest fire on physical, chemical and biological properties of soil: A review. Proceedings of the International Academy of Ecology and Environmental Sciences, 2(3): 168-176. http://www.iaees.org/publications/journals/piaees/articles/2012-2012(2013)/impact-of-forest-fire.pdf.

Wang B, Waters C, Orgill S, Gray J, Cowie A, Clark A, Li Liu D. 2018. High resolution mapping of soil organic carbon stocks using remote sensing variables in the semi-arid rangelands of eastern Australia. Science of the Total Environment, 630: 367-378. doi:https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.02.204.

Zhang Y, Biswas A. 2017. The effects of forest fire on soil organic matter and nutrients in boreal forests of North America: A review. Adaptive Soil Management: From Theory to Practices: 465-476. doi:https://doi.org/10.1007/978-981-10-3638-5_21.