مطالعات جغرافیایی مناطق خشک

مطالعات جغرافیایی مناطق خشک

ارزیابی تأثیر اقدامات بیولوژیک روی هدررفت خاک به‌وسیله مدل RUSLE مبتنی بر سنجش از دور در حوزه آبخیز چیکان و مورزیان

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
گروه مهندسی طبیعت، دانشکده منابع طبیعی و علوم زمین، دانشگاه کاشان، کاشان، ایران
چکیده
هدف: هدف اصلی این مطالعه بررسی تأثیر اقدامات بیولوژیکی آبخیزداری بر هدررفت خاک با استفاده از مدل RUSLE، سنجش از دور و سیستم‌های اطلاعات جغرافیایی است.
روش و داده: منطقه مورد مطالعه، آبخیز چیکان و مورزیان یکی از زیرحوضه‌های حوضه سد درودزن است. در این مطالعه با استفاده از مدل RUSLE و بر مبنای داده‌های سنجش از دور، میزان هدررفت خاک طی یک دوره 29 ساله در 4 مقطع زمانی (۱۳۷۱، ۱۳۸۲، ۱۳۹۶ و ۱۴۰۰) برآورد گردید. برای اندازه‌گیری، مقدار هدررفت خاک با استفاده از دستورالعمل‌های مربوطه در مدل RUSLE، نقشه عوامل فرسایندگی باران (R)، فرسایش‌پذیری خاک (K)، توپوگرافی (LS)، پوشش‌گیاهی (C) و عامل حفاطت (P) در سطح حوضه تهیه شد. به‌منظور بررسی اثر اقدامات بیولوژیک آبخیزداری، با فرض ثابت بودن دیگر عوامل مدل طی دوره مورد مطالعه، تغییرات عامل C تحت اثر اقدامات بیولوژیک مورد بررسی قرار گرفت.
یافته‌ها: یافته‌های حاصل از بررسی مقادیر فاکتور C نشان داد که مقادیر این فاکتور برای سال‌های ۱۳۷۱، ۱۳۸۲، ۱۳۹۶ و ۱۴۰۰ به ترتیب ۰/۲۹±۰/۸۳، ۰/۲۸±۰/۸۰، ۰/۲۸±۰/۷۶ و ۰/۲۸±۰/۷۸ متغیر است. همچنین میانگین هدررفت سالانه خاک در حوضه‌ی چیکان و مورزیان تحت تأثیر اقدامات بیولوژیک طی سال‌های مورد اشاره با یک روند نسبتاً کاهشی به ترتیب برابر ۲۰/۱۹± ۱۶/۸۸، ۱۹/۵۲±۱۶/۳۲، ۱۸/۲۹±۱۵/۴۱ و ۱۸/۸۲±۱۵/۸۰ برآورد شد.
نتیجه‌گیری: یافته‌ها حاکی از آن بود که اجرای عملیات بیولوژیک طی این دوره، منجر به کاهش میزان فرسایش خاک گردیده است. در یک نتیجه‌گیری کلی می‌توان بیان نمود که اجرای عملیات بیولوژیک می‌تواند یک اقدام مفید و قابل اطمینان برای کاهش فرسایش خاک در حوزه‌های آبخیز در معرض تخریب تلقی شود. هر چند دیگر کارکردهای این عملیات مانند تولید علوفه، کاهش رواناب، ارزش تفرجگاهی و ... نیز می‌تواند به کارکرد حفاظت خاک آن اضافه شود. پیشنهاد می‌شود در شرایط آب و هوایی متفاوت با استفاده از روش‌های گوناگون ارزیابی اقدامات بیولوژیک آبخیزداری بر میزان فرسایش و رسوب انجام شود.
نوآوری، کاربرد نتایج: از مهم‌ترین جنبه‌‌های نوآورانه و کاربردی تحقیق می‌توان به بررسی چندزمانه میزان هدررفت خاک تحت تأثیر اقدامات بیولوژیک آبخیزداری با استقاده از تکنیک سنجش از دور اشاره نمود.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Evaluating the effect of biological practices on the soil loss by remote sensing-based RUSLE model in Chikan and Morzian watershed

نویسندگان English

Roya Ghahremani
Ebrahim Omidvar
Siamak Dokhani
Department of Nature Engineering, Faculty of Natural Resources and Earth Sciences, Kashan University, Kashan, Iran.
چکیده English

Aim: The main objective of this study was to evaluate the impact of biological watershed management measures on soil loss using the RUSLE model, remote sensing, and geographic information systems.
Material & Method: The study area, Chikan and Morzian watershed, is one of the sub-basins of the Darudzen dam basin. In this study, using the RUSLE model and based on remote sensing data, soil loss was estimated over 29 years at 4 time points (1992, 2003, 2017, and 2021). In order to estimate the amount of soil erosion, the map of rain erosion factors (R), soil erodibility (K), topography (LS), vegetation cover (C), and protection factor (P) at the catchment level was first prepared using the relevant instructions in the RUSLE model. In order to study the effect of biological watershed management measures, assuming that the other factors of the model remain constant during the study period, the changes in factor C under the effect of biological measures were studied.
Finding: The results of the C-factor estimations showed that this factor was 0.83±0.29, 0.80±0.28, 0.76±0.28 and 0.76±0.28 in the years 1992, 2003, 2017, and 2021, respectively. The average amount of soil erosion in the Chikan and Morzian basins during 1992, 2003, 2017, and 2021 was calculated as 16.88±20.19, 16.32±19.52, 15.41±18.29, and 15.80±18.82, respectively.
Conclusion: The results indicated that the implementation of biological operations during this period decreased soil erosion. In conclusion, the implementation of biological operations is a useful and reliable measure to reduce soil erosion in degraded watersheds. However, other functions of this operation, such as fodder production, run-off reduction, recreational value, etc., can be added to its soil protection function.
Innovation: One of the most innovative and practical aspects of the research is using remote sensing techniques to study the amount of soil loss over time under the influence of biological watershed management measures.

کلیدواژه‌ها English

Soil erodibility
Vegetation cover
Soil conservation
GIS
Doroudzan dam Basin
  1. Introduction

Soil is recognized as one of the most vital renewable resources globally. Currently, soil erosion has become a serious threat to human welfare and even the survival of humanity. This phenomenon is considered one of the fundamental environmental challenges for human societies. Global studies indicate that nearly 58% of degraded lands worldwide are caused by soil erosion, leading to a 17% reduction in agricultural production and significant environmental damage. Soil erosion is a key issue in natural resource conservation and watershed management research, influenced by natural and human factors. Therefore, understanding the intensity of soil erosion allows for identifying critical areas and prioritizing conservation measures. In this context, to mitigate the negative impacts of soil erosion, it is crucial to examine the factors influencing soil loss and accurately assess the extent of soil erosion to provide a correct evaluation of the current situation. Moreover, calculating the amount of soil erosion using various computational models and methods is feasible, and selecting the optimal method for measuring it is paramount. Various methods have been proposed worldwide to measure soil loss in different regions. Therefore, this study aims to evaluate the impact of biological conservation measures using the RUSLE model, based on remote sensing data, in the Chikan and Morzyan watersheds of Fars Province. By analyzing the effects of these measures, this research contributes significantly to the sustainable management of lands and the reduction of soil erosion-related damages.

  1. Materials and methods

The Chikan-Morzyan watershed is located 80 km north of Sepidan city in Fars Province, covering an area of 12,333 hectares. The watershed has a maximum elevation of 3,125 meters and a minimum elevation of 1,811 meters, with the highest annual precipitation reaching 571.2 mm and the lowest precipitation at 471.6 mm. This study used the RUSLE model based on remote sensing data to estimate soil erosion over 29 years at four-time intervals (1992, 2003, 2017, and 2021).  To measure soil erosion, the RUSLE model guidelines were applied, and maps of erosivity (R), soil erodibility (K), topography (LS), vegetation cover (C), and conservation practices (P) were prepared for the watershed area. To assess the impact of watershed conservation measures, changes in the C factor were examined under the influence of biological conservation practices, assuming the other model factors remained constant throughout the study period. The amount of soil erosion was then estimated based on these changes.

  1. Results and Discussion

The results of evaluating the impact of watershed management interventions in the studied watershed indicated that the values of the rainfall erosivity factor (R) in the watershed ranged from 31.5 to 488.42 MJmmha⁻¹h⁻¹y⁻¹, with a mean value of 224.98 and a standard deviation of 39.45 MJmmha⁻¹h⁻¹y⁻¹. The results of calculating the soil erodibility factor (K) in the study area revealed that the range of K values varied from 0.0129 to 0.0132. The highest erosion rates were observed in the southeast of the watershed, while the lowest values were found in the southern, central, eastern, western, and some northern parts of the watershed. The slope-length (LS) factor map showed that this factor ranged from 0.065 to 196.497 t ha h ha⁻¹MJ⁻¹mm⁻¹, with an average value of 6.89 t ha h ha⁻¹MJ⁻¹mm⁻¹ and a standard deviation of 8.12 t ha h ha⁻¹MJ⁻¹mm⁻¹.

The findings from the assessment of the changes in the cover management factor (C) indicated that the values of this factor for the years 1992, 2003, 2017, and 2021 varied between 0.19 and 1, 0.2 and 1, 0.21 and 0.99, and 0.21 and 1, respectively. Moreover, the annual average soil erosion in the Chikan and Morzian watershed, under the influence of watershed management practices, showed a relatively decreasing trend over the years, with values of 16.88, 16.32, 15.41, and 15.08 tons per hectare, respectively.

  1. Conclusion

The findings of this study indicate that the implementation of biological measures during the study period has had a positive impact on reducing soil erosion in the Chikan and Morzian watershed. Results from the RUSLE model and the analysis of changes in the C-factor show a reduction in soil erosion over the years. This reduction in soil erosion is primarily attributed to the improvement in vegetation cover and soil structure enhancement resulting from the biological measures. In conclusion, biological measures, such as afforestation and vegetation restoration, can serve as an effective and sustainable solution for reducing soil erosion in vulnerable and degraded watersheds. These methods not only contribute to the reduction of erosion but also can be considered valuable tools in natural resource management. In addition to their positive effects on soil erosion reduction, these measures also offer additional benefits, such as increased forage production, reduced runoff, enhanced soil moisture retention, improved biodiversity, and even an increase in recreational and ecotourism values in the region. Therefore, it is recommended that in different climatic conditions, the impact of biological measures on soil erosion and sedimentation should be evaluated using various models and methods. Such assessments can significantly influence optimal decision-making regarding watershed management, soil conservation, and water resource protection. Ultimately, further research in diverse regions, utilizing more accurate data, could enhance sustainable natural resource management strategies and strengthen biological conservation measures.

  1. Acknowledgement & Funding

I would like to express my deepest gratitude and appreciation for the cooperation of the General Directorate of Natural Resources and Watershed Management of Fars Province, which assisted in carrying out various stages of the research, including providing data and vehicles for field visits.

  1. Conflict of Interest

The authors of this article declare that they have no conflicts of interest with regard to the writing and publication of the materials and results of this research.

اداره کل منابع طبیعی و آبخیزداری استان فارس. (1381). مطالعات جامع حوزه آبخیز چیکان و مورزیان، جلد ششم، مطالعات پوشش گیاهی، 85 ص.

اسدی، حسین، وظیفه دوست، مجید، موسوی، سید علی، هنرمند، محدثه. (1390). ارزیابی و پهنه‌بندی خطر فرسایش خاک با استفاده از RUSLE، GIS و RS در حوزه آبخیز نارود. مجله علوم و فنون کشاورزی، 19(1)، 244–231.
https://civilica.com/doc/1276667/

بابایی، مهناز، حسینی، سید زین‌العابدین، نظری سامانی، علی‌اکبر، المدرسی، سید علی. (1395). پهنه‌بندی فرسایش خاک با استفاده از مدل ‏RUSLE 3D، مطالعه موردی: حوزه ‏آبخیز کن. مهندسی و مدیریت آبخیز، 8(2)، 181-165.
https://doi.org/10.22092/ijwmse.2016.106454

باقریان کلات، علی، لشکری پور، غلامرضا، غفوری، محمد. (1400). ارزیابی تاثیر اقدامات آبخیزداری بر پوشش گیاهی و میزان فرسایش و رسوب در حوزه آبخیز کاخک. علوم و تکنولوژی محیط زیست، 23(7)، 63-51.
(DOI): 10.30495/jest.2022.27360.3642

رخبین، معصومه، نوحه گر، احمد، کمالی، علیرضا، حبیب اللهیان، محمود. (1393). برآورد میزان فرسایش و تولید رسوب در حوزه­ی آبخیز لاور فین (استان هرمزگان) با استفاده از سنجش از دور (RS)، سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) و مدل تجربی RUSLE. فصل‌نامه تحقیقات جغرافیایی، ۲۹ (۳)، ۸۹-۱۰۴. URL: http://georesearch.ir/article-1-348-fa.html

رفاهی، حسینقلی. (1379). فرسایش آبی و حفاظت آن. انتشارات دانشگاه تهران، 19، 912–921.

عبیات، محمد، عبیات، مصطفی، عبیات، مرتضی. (1400). بررسی تغییرات کاربری اراضی و اثر آن بر روند فرسایش خاک در حوضه باغملک با استفاده از شبکه عصبی مصنوعی و مدل RUSLE. محیط­شناسی 4(1)، 110–89. Doi:10.22059/jes.2021.324250.1008180

فارسی، راضیه، یگانه، حسن، حسینعلی‌زاده، محسن، عظیمی، مژگان سادات. (1399). برآورد ارزش اقتصادی نقش پوشش گیاهی در کنترل فرسایش خاک (مطالعه موردی: حوزه آبخیز کچیک). مجله پژوهش‌های حفاظت آب و خاک، 27(6)، 152-137.
10.22069/jwsc.2020.17763.3331

کریمی سنگچینی، ابراهیم، آرامی، عبدالحسین، یوسفی مبرهن، ابراهیم. (1400). کاربرد سیستم اطلاعات جغرافیایی و سنجش از دور در ارزیابی اثرات طرح‌های آبخیزداری اجراشده در حوزه آبخیز ریمله شهرستان خرم آباد. کاربرد سیستم اطلاعات جغرافیایی و سنجش از دور در برنامه‌ریزی، 12(4)، 86-78. https://journals.iau.ir/article_694033.html

کوهدرزی مقدم، مینا، تقی پور، سید مهدی، عرفانی پورقاسمی، وجیهه. (1401). اثربخشی اقدامات آبخیزداری در کاهش فرسایش خاک و تولید رسوب (مطالعه موردی: حوزة آبخیز دهلکوه). مدل‌سازی و مدیریت آب و خاک، 2(4), 17-1.
10.22098/mmws.2022.10282.1080

کیانی هرچگانی، محبوبه، سعیدی، پری، صادقی، سید حمیدرضا. (1397). تحلیل حلقه‌های سنجه رسوبی فرسایش بین شیاری در رگبارهای پیاپی تحت شرایط آزمایشگاهی. تحقیقات آب و خاک ایران (علوم کشاورزی ایران)، 49(2)،302-293.
 https://sid.ir/paper/225499/fa

گلی مختاری، لیلا، شفیعی، نجمه، و رحمانی، ابوالفضل. (1397). برآورد میزان فرسایش خاک با استفاده از مدل (RUSLE)، مطالعه‌ی موردی حوضه‌ی آبریز نورآباد ممسنی. هیدروژئومورفولوژی، 5(17)، 1-21. 20.1001.1.23833254.1397.5.17.1.1

محمودی، محمد علی،  نقشبندی، سیده پریا. (1398). برآورد میزان فرسایش خاک با استفاده از مدل RUSLE و داده‌های سنجش از دور در حوضۀ آبخیز سد گاوشان. آب و خاک، 33(6), 845-856. 10.22067/jsw.v33i6.76446

میرچولی، فهیمه، صادقی، سیدحمیدرضا، خالدی درویشان، عبدالواحد. (1401). تحلیل مقایسه‌ای اثر روش‌های محاسباتی مختلف برآورد عامل توپوگرافی بر میزان و توزیع مکانی هدررفت خاک در حوزه آبخیز شازند. مهندسی و مدیریت آبخیز، 14(2)، 232-242. https://doi.org/10.22092/ijwmse.2021.341236.1753

نژاد افضلی،کرامت، شاهرخی، محمد رضا، بیاتانی، فاطمه. (1398). برآورد فرسایش خاک با استفاده از مدل RUSLE و شناسایی مؤثرترین عامل آن در حوضة آبخیز دهکهان (جنوب کرمان). مخاطرات محیط طبیعی، 8(20)، 21-38.
10.22111/jneh.2018.21894.1316

نورافکن، امیرحسین، اختری, روح انگیز، دلاور، مجید. (1400). ارزیابی تأثیرات اقدامات آبخیزداری برمولفه های بیلان آبی و رسوب مطالعه موردی: حوضه آبریز وردیج – واریش. تحقیقات منابع آب ایران، 17(1)، 277-289.
20.1001.1.17352347.1400.17.1.17.8

نیک پور، نورالله، فتوحی، صمد، نگارش، حسین، سیستانی، مسعود. (1396). مورفومتری فرسایش آبکندی و عوامل موثر بر ایجاد و گسترش آن (حوضه‌ی دشت چم فاضل در جنوب غرب استان ایلام) . تحلیل فضایی مخاطرات محیطی، ۴ (۱)، ۹۷-۱۱۲.
http://jsaeh.khu.ac.ir/article-1-2696-fa.html

Almouctar, M., A.S., Wu, Y., Zhao, F., & Dossou, J.F. (2021). Soil erosion assessment using the RUSLE model and geospatial techniques (Remote Sensing and GIS) in South-Central Niger (Maradi Region). Water, 13(24): 3511.‏ https://doi.org/10.3390/w13243511
Anderson, G.L., Hanson, J.D., & Hass, R.H. (1993). Evaluating landsat thematic mapper derived vegetation indices for estimating above-ground biomass on semiarid rangelands. Remote Sensing of the Environment, 45(2): 165–175. https://doi.org/10.1016/0034-4257(93)90040-5
Behera, M., Sena, D. R., Mandal, U., Kashyap, P. S., & Dash, S. S. (2020). Integrated GIS-based RUSLE approach for quantification of potential soil erosion under future climate change scenarios. Environmental Monitoring and Assessment, 192(11), 733. https://doi.org/10.1007/s10661-020-08688-2
Boardman, J., Ligneau, L., De Roo, A.D., & Vandaele, K. (1994). Flooding of property by run off from agricultural land in northwestern Europe. Geomorphology and Natural Hazards, 10(3): 183–196.
https://doi.org/10.1016/B978-0-444-82012-9.50017-7
Böhner, J., & Selige, T. (2006). Spatial prediction of soil attributes using terrain analysis and climate regionalization. SAGA - Analyses and Modelling Applications, 115: 13–28. https://mediatum.ub.tum.de/doc/1304675/document.pdf
Bruce, R.R., Langdale, G.W., East, L.J., & Miller, W.P. (1995). Surface soil degradation and soil productivity restoration and maintanace. Soil Science Society of America Journal, 59(3): 654–660.
https://doi.org/10.2136/sssaj1995.03615995005900030003x
Chuenchum, P., Xu, M., & Tang, W. (2020). Predicted trends of soil erosion and sediment yield from future land use and climate change scenarios in the Lancang–Mekong River by using the modified RUSLE model. International Soil and Water Conservation Research, 8(3): 213–227.‏ https://doi.org/10.1016/j.iswcr.2020.06.006
Dash, C. J., Das, N. K., & Adhikary, P. P. (2019). Rainfall erosivity and erosivity density in Eastern Ghats Highland of east India. Natural Hazards, 97, 727-746. https://doi.org/10.1007/s11069-019-03670-9
Fekadu, A., Soromessa, T., & Dullo, B.W. (2022). Assessment of the erosion protection service and its economic value of the southwestern Ethiopia forest coffee. Environmental Challenges, 8, 100580.‏
https://doi.org/10.1016/j.envc.2022.100580
Haregeweyn, N., Berhe, A., Tsunekawa, A., Tsubo, M., & Derege Tsegaye, M. (2012). Integrated Watershed Management as an  Effective Approach to Curb Land Degradation: A Case Study of the Enabered Watershed in Northern Ethiopia. Environmental Management, 50(6): 1219‒1233. https://doi.org/10.1007/s00267-012-9952-0
Khanchoul, K., Selmi, K., & Benmarce, K. (2020). Assessment of soil erosion by RUSLE model in the mellegue watershed, northeast of Algeria. Environ Ecosyst Sci, 4(1): 15–22.‏ DOI: http://doi.org/10.26480/ees.01.2020.15.22
Lal, R. (1994). Soil erosion impact on agronomic productivity and environment quality. Critical Reviews in Plant Sciences, 17(4): 319–464. https://doi.org/10.1080/07352689891304249
Lazzari, M., Gioia, D., Piccarreta, M., Danese, M.,&  Danese, A. (2015). Sediment yield and erosion rate estimation in the mountain catchments of the Camastra artificial reservoir (Southern Italy): a comparison between different empirical methods. Catena, 127: 323–339. https://doi.org/10.1016/j.catena.2014.11.021
Nourizadeh, M., Naghavi, H., & Omidvar, E. (2024). The effect of land use and land cover changes on soil erosion in semi-arid areas using cloud-based google earth engine platform and GIS-based RUSLE model. Natural Hazards, 120(7), 6901-6922. https://doi.org/10.1007/s11069-023-06375-2
Pacheco, F.A.L., & Varandas, S.G.P., Fernandes, L.S., Junior, R.V. (2014). Soil losses in rural watersheds with environmental land use conflicts. Science Total Environ. 485: 110–120. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2014.03.069
Pimental, D., Harvey, C., Resosudarmo, P., Sinclair, K., Kurz, D., McNair, M., Crist, S., Shpritz, L., Saffouri, R.,  & Blair, R. (1995). Environmental costs of soil erosion and conservation benefits. Science, 267(5201): 1117–1123. DOI: 10.1126/science.267.5201.1117
Pradhan, B., Chaudhari, A., Adinarayana, J., & Buchroithner, M.F. (2012). Soil erosion assessment and its correlation with landslide events using remote sensing data and GIS: a case study at Penang Island, Malaysia. Environmental monitoring and assessment, 184(2): 715–727.
Renard, K.G., & Ferreira, V.A. (1993). RUSLE model description and database sensitivity. Journal of environmental quality, 22(3): 458–466.‏ https://doi.org/10.2134/jeq1993.00472425002200030009x
Renard, K.G., & Freimund, J.R. (1994). Using monthly precipitation data to estimate the R factor in the revised USLE. Journal of Hydrological, 157(1-4): 287–306. https://doi.org/10.1016/0022-1694(94)90110-4
Renard, K.G., Meyer, L. D., & Foster, G.R. (1997). Predicting soil erosion by water: a guide to conservation, planning with the revised universal soil loss equation (RUSLE), 2–18.‏
Römkens, M.J.M., Poesen, J., & Wang, J.Y. (1988). Relationship between the USLE soil erodibility factor and soil properties. international soil conservation conference on Land Conservation For Future Generations, II. System Analysis for erosion evaluation,  In Proceedings, 371–385.‏
Shirazi, M.A., & Boersma, L. (1984). A unifying quantitative analysis of soil texture. Soil Science Society of America Journal, 48(1): 142–147. https://doi.org/10.2136/sssaj1984.03615995004800010026x
Sidi Almouctar, M.A., Wu, Y., Zhao, F., & Dossou, J.F. (2021). Soil Erosion Assessment Using the RUSLE Model and Geospatial Techniques (Remote Sensing and GIS) in South-Central Niger (Maradi Region). Water, 13(24): 3511–3523. https://doi.org/10.3390/w13243511
Wijitkosum, S. (2012). Impacts of land use changes on soil erosion in Pa Deng sub-district, adjacent area of Kaeng Krachan National Park, Thailand. Soil and Water Research, 7(1): 10 –17. https://www.agriculturejournals.cz/pdfs/swr/2012/01/02.
Wischmeier, W.H., Smith, D.D. (1978). Predicting rainfall erosion losses: a guide to conservation planning (No. 537). Department of Agriculture, Science and Education Administration.‏

  • تاریخ دریافت 03 خرداد 1403
  • تاریخ بازنگری 07 مرداد 1403
  • تاریخ پذیرش 02 شهریور 1403
  • تاریخ انتشار 11 اردیبهشت 1404