پاسخ تنوع میکروبی به تغییرات خصوصیت‌‌های فیزیکی و شیمیایی خاک ناشی از فرسایش آبی در حوضه آبخیز دهبکری، استان کرمان

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشیار، گروه مرتع و آبخیزداری، دانشکده آب و خاک، دانشگاه زابل، زابل، ایران

2 دانشجوی کارشناسی ارشد آبخیزداری، دانشکده آب و خاک، دانشگاه زابل، زابل، ایران

چکیده

نبود اطلاعات کافی در زمینه تأثیر فرسایش بر عملکرد خاک و جوامع میکروبی موجود در آن مانع بزرگی در ارزیابی ‏تأثیر واقعی فرسایش بر خدمات اکوسیستم‌های طبیعی و احیاء محیط‌های فرسوده می‌‌باشد. در این مطالعه رابطه تنوع میکروبی و تغییرات ‏خصوصیت‌‌های فیزیکی و شیمیایی خاک ناشی از فرسایش آبی در اراضی مرتعی - جنگلی گوور استان کرمان بررسی شد. نمونه‌برداری ‏خاک (عمق ۰-۳۰ سانتی‌متر) برپایه آزمایش فاکتوریل در قالب طرح کاملا تصادفی با استفاده از دو ترانسکت در چهار وضعیت ‏شامل بدون فرسایش، فرسایش کم، فرسایش متوسط و شدید در سه پلات‌ انجام شد. فاکتورهای آزمایش شامل واحدکاری (۲ واحد)، جهت شیب ( ۲ جهت) و درجه فرسایش (۴ درجه) بودند. پارامترهای فیزیکی و شیمیایی خاک شامل وزن مخصوص ظاهری، محتوی رطوبت خاک، اسیدیته، کربن و نیتروژن آلی محلول، نیتروژن و ‏فسفر کل، آمونیوم (‏NH4+‎‏)، نیترات (‏NO3-‎‏)، فسفر و پتاسیم قابل‌‌دسترس،‌ کربن و نیتروژن کل برای ارزیابی عملکرد کلی خاک ‏اندازه‌گیری شد. شاخص‌های زیستی خاک شامل فعالیت آنزیمی خاک، کربن و نیتروژن زیتوده میکروبی، جمعیت میکروارگانیسم‌ها، ‏سهم میکروبی خاک و تنفس میکروبی پایه اندازه‌گیری گردید. نتایج تجزیه واریانس داده‌ها حاکی از تفاوت معنی‌دار اکثر خصوصیت‌‌های‌‌ فیزیکی و شیمیایی و زیستی خاک بود. با افزایش ‏شدت فرسایش خاک تنها در اسیدیته خاک، کربن آلی محلول، نیترات و آمونیوم تفاوت معنی‌دار مشاهده نشد (‏p>0.01‎‏).‏‎ ‎فرسایش خاک ‏باعث تغییرات آماری معنی‌‌دار در خصوصیت‌‌های خاک و کاهش خصوصیت‌‌های چند عملکردی خاک شد (‏p>0.01‎‏). بیشترین محتوی رطوبت خاک، ‏نیتروژن آلی، کربن آلی، فسفر کل، پتاسیم قابل‌‌دسترس و آمونیوم مربوط به پلات‌های بدون فرسایش بود و با افزایش درجه فرسایش ‏مقادیر این پارامترها کاهش معنی‌دار را نشان داد (‏p<0.01‎‏). فرسایش خاک اثر معنی‌داری در نیتروژن آلی محلول خاک داشت (‏p>0.01‎‏)، ‏به‌‌طوری‌‌که بیشترین میزان نیتروژن آلی محلول در پلات‌های بدون فرسایش اندازه‌گیری شد و کمترین مقدار مربوط به پلات‌های با فرسایش ‏شدید بود. نتایج ﻧﺸـﺎﻥ ﺩﺍﺩ ﻛـﻪ ﻣﻘـﺪﺍﺭ ﺗﻤـﺎﻡ ﭘﺎﺭﺍﻣﺘﺮﻫﺎﻱ ﺯﻳﺴﺘﻲ ﺍﻧﺪﺍﺯﻩﮔﻴﺮﻱ‌‌ﺷﺪﻩ ﺩﺭ ﺧﺎﻙ‌های با درجه فرسایش شدید به‌طور معنی‌‏داری کمتر ﺍﺯ ﺧـﺎﻙ‌های بدون فرسایش و فرسایش کم بود. به‌طورکلی، تغییرات در ویژگی‌های میکروبیوتای خاک به شدت با تغییرات ناشی از فرسایش در چند خصوصیت- ‏فیزیکی و شیمیایی خاک مرتبط بود. این نتایج با هم نشان می‌دهد که فرسایش خاک تأثیر منفی قابل‌‌توجهی بر ویژگی‌های میکروبی و ‏عملکردی خاک دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Microbial diversity response to changes in physical and chemical ‎properties ‎of soil caused by water erosion in the Dehbakari ‎watershed, Kerman ‎province

نویسندگان [English]

  • Morteza Saberi 1
  • Mostafa Nori 2
  • Mahdieh Ebrahimi 1
1 Associate Professor, Rangeland and Watershed Management Department, Faculty of Water and Soil, University of Zabol, Zabol, Iran
2 MSc of Watershed Management, Department of Range and Watershed Management, Faculty of Water and Soil, University of Zabol, Zabol, Iran
چکیده [English]

The lack of sufficient data in this field poses a major challenge in assessing the true effects of erosion on natural ecosystem services and the restoration of degraded environments. In this study, the relationship between microbial diversity and water erosion-induced changes in soil physical and chemical properties was investigated in the Gavor rangeland-forest land in Kerman province. Soil sampling (0-30 cm depth) was conducted based on a factorial experiment in a completely randomized design using two transects in four conditions including no erosion, low erosion, moderate erosion and severe erosion in three plots. The experimental factors included working unit (2 units), slope direction (2 directions) and erosion degree (4 degrees). Three replicate plots with specific dimensions were established for each condition. Soil physical and chemical factors were measured to evaluate the overall soil performance including bulk density, soil moisture content, acidity, dissolved organic carbon and nitrogen, total nitrogen and phosphorus, ammonium (NH4+), nitrate (NO3-), available phosphorus and potassium, net mineralized carbon, and net mineralized nitrogen. Soil biological indicators were measured including soil enzymatic activity, microbial biomass carbon and nitrogen, microbial population, soil microbial quotient, and basal microbial respiration. The results of the analysis of variance indicated significant differences in most of the physical, chemical, and biological properties of the soil. With increasing soil erosion intensity, no significant differences were observed in soil acidity, inorganic-organic carbon, nitrate, and ammonium (p>0.01). Soil erosion caused significant changes in the edaphic properties of the working unit and reduced the soil's multifunctional properties. The maximum soil moisture content, organic nitrogen, organic carbon, total phosphorus, available potassium, and ammonium were related to plots without erosion. With increasing erosion degree, the values of these parameters showed a significant decrease (p<0.01). Soil erosion has a significant effect on soil net mineralized nitrogen (p>0.01), so the highest amount of net mineralized nitrogen was measured in plots without erosion, and the lowest amount was related to plots with severe erosion. The results showed that the values of all biological parameters measured in soils with severe erosion degrees were significantly lower than those in soils without erosion and with low erosion. The highest correlation of biological indicators was with the values of carbon and inorganic nitrogen, phosphorus, and total potassium. Overall, changes in soil microbiota characteristics were strongly correlated with erosion-induced changes in some of the soil's physical and chemical properties. These results indicate that soil erosion has a significant negative impact on soil microbial and functional properties.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Soil multifunctional properties
  • Soil erosion
  • Enzyme activity
  • Soil microbial diversity
عباس‌نژاد، علی. (۱۳۸۵). بررسی جاذبه‌های طبیعی و اکوتوریسم در مناطق تحت مدیریت سازمان محیط زیست در استان کرمان. کرمان: اداره کل محیط زیست استان کرمان.
علی‌اصغرزاد، ناصر. (۱۳۸۵). روش‌های آزمایشگاهی در زیست‌شناسی خاک (ترجمه). تبریز: انتشارات دانشگاه تبریز. ۲۹۲ ص.
مصدقی، محمد . (۱۳۸۴). اکولوژی گیاهی. مشهد: انتشارات دانشگاه فردوسی مشهد. ۱۸۷ ص.
محسنی، ناهید . (۱۳۹۸). تأثیر فرسایش آبی بر تنوع زیستی خاک در اکوسیستم‌های خشک. پژوهش‌های علوم زمین، ۱۰(۲)، ۳۳-۲۱.
سلطانی طولارود، علی و عسگری، سمیه  . (۱۴۰۰). ارزیابی تأثیر جهت و موقعیت شیب بر برخی شاخص‌های میکروبی خاک در مراتع و جنگل. پژوهش‌های فرسایش محیطی، ۱۱(۱)، ۷۴-۵۸.
Abu-Hamdeh, N. H., & Reeder, R. C. (2000). Soil thermal conductivity: Effects of density, moisture, salt concentration, and organic matter. Soil Science Society of America Journal, 64(4), 1285–1290.
Asghari, S. H., & Arkhazloo, H. S. (2020). Effects of land use and slope on soil physical, mechanical, and hydraulic quality in Heyran neck, Ardabil Province. Journal of Environmental Erosion Research, 37, 79–91.
Banerjee, S., Misra, A., Sar, A., Pal, S., Chaudhury, S., & Dam, B. (2020). Poor nutrient availability in opencast coalmines influences microbial community composition and diversity in exposed and underground soil profiles. Applied Soil Ecology, 152, 103544. https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2020.103544
Blake, G. R., & Hartge, K. H. (1986). Methods of soil analysis: Part 1—Physical and mineralogical methods (Vol. 5, pp. 363–375). ASA and SSSA.
Borrelli, P., Robinson, D. A., Fleischer, L. R., Lugato, E., Ballabio, C., Alewell, C., ... & Panagos, P. (2017). An assessment of the global impact of 21st century land use change on soil erosion. Nature Communications, 8, 1–13. https://doi.org/10.1038/s41467-017-02142-7
Brookes, P. C., Landman, A., Pruden, G., & Jenkinson, D. S. (1985). Chloroform fumigation and the release of soil nitrogen: A rapid direct extraction method to measure microbial biomass nitrogen in soil. Soil Biology and Biochemistry, 17(6), 837–842.
Cabrera, M. L., & Beare, M. H. (1993). Alkaline persulfate oxidation for determining total nitrogen in microbial biomass extracts. Soil Science Society of America Journal, 57, 1007–1012.
Caldwell, B. A. (2005). Enzyme activities as a component of soil biodiversity: A review. Pedobiologia, 49, 637–644.
Calvo de Anta, R., Luísa, E., Febrero-Bande, M., Galiñanes, J., Macías, F., Ortíz, R., & Casas, F. (2020). Soil organic carbon in peninsular Spain: Influence of environmental factors and spatial distribution. Geoderma, 370, 114365. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2020.114365
Chen, Q., Dong, J., Zhu, D., Hu, H., Delgado-Baquerizo, M., Ma, Y., He, J.-Z., & Zhu, Y.-G. (2020). Rare microbial taxa as the major drivers of ecosystem multifunctionality in long-term fertilized soils. Soil Biology and Biochemistry, 141, 107686. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2019.107686
De Vries, F. T., Griffiths, R. I., Bailey, M., Craig, H., Girlanda, M., Gweon, H. S., ... & Bardgett, R. D. (2018). Soil bacterial networks are less stable under drought than fungal networks. Nature Communications, 9(1), 3033. https://doi.org/10.1038/s41467-018-05516-7
Grilli, E., Carvalho, S. C. P., Chiti, T., Coppola, E., Ascoli, R. D., La Mantia, T., ... & Castaldi, S. (2021). Critical range of soil organic carbon in southern Europe lands under desertification risk. Journal of Environmental Management, 287, 112285. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2021.112285
Guo, X., Feng, J., Shi, Z., Zhou, X., Yuan, M., Tao, X., ... & Zhou, Y. (2018). Climate warming leads to a divergent succession of grassland microbial communities. Nature Climate Change, 8, 813–818. https://doi.org/10.1038/s41558-018-0254-2
Hladký, J., Novotná, J., Elbl, J., Kynický, J., Juřička, D., Novotná, J., & Brtnický, M. (2016). Impacts of water erosion on soil physical properties. Acta Universitatis Agriculturae et Silviculturae Mendelianae Brunensis, 64(5), 1523–1527.
Huang, J., Li, Z., Zeng, G., Zhang, J., Li, J., Nie, X., Ma, W., & Zhang, X. (2013). Microbial responses to simulated water erosion in relation to organic carbon dynamics on hilly cropland in subtropical China. Ecological Engineering, 60, 67–75.
Jones, D. L., & Willett, V. B. (2006). Experimental evaluation of methods to quantify dissolved organic nitrogen (DON) and dissolved organic carbon (DOC) in soil. Soil Biology and Biochemistry, 38(5), 991–999.
Jones, D. L., Shannon, D., Murphy, D. V., & Farrar, J. (2004). Role of dissolved organic nitrogen (DON) in soil N cycling in grassland soils. Soil Biology and Biochemistry, 36(5), 749–756.
Keeney, D. R., & Nelson, D. W. (1982). Steam distillation methods for exchangeable ammonium, nitrate, and nitrite. In A. L. Page (Ed.), Methods of Soil Analysis: Part 2. Chemical and Microbiological Properties (2nd ed., pp. 649–654). ASA and SSSA.
Kirkels, F. M. S. A., Cammeraat, L. H. N., & Kuhn, J. (2014). The fate of soil organic carbon upon erosion, transport and deposition in agricultural landscapes – A review of different concepts. Geomorphology, 226, 94–105.
Kjeldahl, J. (1883). Neue Methode zur Bestimmung des Stickstoffs in organischen Körpern. Zeitschrift für Analytische Chemie, 22(1), 366–382.
Lal, R. (2003). Soil erosion and the global carbon budget. Environment International, 29(4), 437–450.
Li, Z., Tian, D., Wang, B., Wang, J., Wang, S., Chen, H., Xu, X., Wang, C., He, N., & Niu, S. (2019). Microbes drive global soil nitrogen mineralization and availability. Global Change Biology, 25(3), 1078–1088.
Li, Z., Xiao, H., Tang, Z., Huang, J., Nie, X., Huang, B., Ma, W., Lu, Y., & Zeng, G. (2015). Microbial responses to erosion-induced soil physico-chemical property changes in the hilly red soil region of southern China. European Journal of Soil Biology, 71, 37–44.
Liang, Y., Lal, R., Guo, S., Liu, R., & Hu, Y. (2018). Impacts of simulated erosion and soil amendments on greenhouse gas fluxes and maize yield in Miamian soil of central Ohio. Scientific Reports, 8, 520. https://doi.org/10.1038/s41598-017-18922-6
Makoi, J. H., & Ndakidemi, P. A. (2008). Selected soil enzymes: Examples of their potential roles in the ecosystem. African Journal of Biotechnology, 7(3), 181–191.
Mandal, D., & Dadhwal, K. S. (2012). Land evaluation and soil assessment for conservation planning and enhanced productivity (p. 90). Central Soil and Water Conservation Research and Training Institute.
Martens, R. (1995). Current methods for measuring microbial biomass C in soil: Potentials and limitations. Biology and Fertility of Soils, 19(2–3), 87–99.
Nabiollahi, K., Golmohamadi, F., Taghizadeh-Mehrjardi, R., Kerry, R., & Davari, M. (2018). Assessing the effects of slope gradient and land use change on soil quality degradation through digital mapping of soil quality indices and soil loss rate. Geoderma, 318, 16–28.
Orgiazzi, A., Ballabio, C., Panagos, P., Jones, A., & Fernández‐Ugalde, O. (2018). LUCAS Soil, the largest expandable soil dataset for Europe: A review. European Journal of Soil Science, 69(1), 140–153.
Qiu, L., Zhang, Q., Zhu, H., Reich, P. B., Banerjee, S., van der Heijden, M. G., Sadowsky, M. J., Ishii, S., Jia, X., Shao, M., & Liu, B. (2021). Erosion reduces soil microbial diversity, network complexity and multifunctionality. The ISME Journal, 15(8), 2474–2489.
Qu, Y., Tang, J., Li, Z., Zhou, Z., Wang, J., Wang, S., & Cao, Y. (2020). Soil enzyme activity and microbial metabolic function diversity in soda saline-alkali rice paddy fields of northeast China. Sustainability, 12(23), 10095. https://doi.org/10.3390/su122310095
Rasiah, V., & Kay, B. D. (1994). Characterizing changes in aggregate stability subsequent to introduction of forages. Soil Science Society of America Journal, 58(3), 935–942.
Rasiah, V., & Kay, B. D. (1994). Characterizing changes in aggregate stability subsequent to introduction of forages. Soil Science Society of America Journal, 58(3), 935–942.
Saleem, M., Hu, J., & Jousset, A. (2019). More than the sum of its parts: Microbiome biodiversity as a driver of plant growth and soil health. Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics, 50(1), 145–168. https://doi.org/10.1146/annurev-ecolsys-110617-062605
Shi, W. (2011). Agricultural and ecological significance of soil enzymes: Soil carbon sequestration and nutrient cycling. In G. Shukla & A. Varma (Eds.), Soil Enzymology (pp. 43–60). Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-642-14225-3_3
Tian, J., McCormack, L., Wang, J., Guo, D., Wang, Q., Zhang, X., Yu, G., Blagodatskaya, E., & Kuzyakov, Y. (2015). Linkages between the soil organic matter fractions and the microbial metabolic functional diversity within a broad-leaved Korean pine forest. European Journal of Soil Biology, 66, 57–64.
United Nations. (2019). World Soil Day [online]. https://www.un.org/en/observances/world-soil-day
Wagg, C., Schlaeppi, K., Banerjee, S., Kuramae, E. E., & van der Heijden, M. G. A. (2019). Fungal-bacterial diversity and microbiome complexity predict ecosystem functioning. Nature Communications, 10, 4841. https://doi.org/10.1038/s41467-019-12798-y
Walkley, A., & Black, I. A. (1934). An examination of the Degtjareff method for determining soil organic matter, and a proposed modification of the chromic acid titration method. Soil Science, 37(1), 29–38.
Wang, A., Luo, C., Yang, R., Chen, Y., Shen, Z., & Li, X. (2012). Metal leaching along soil profiles after the EDDS application – A field study. Environmental Pollution, 164, 204–210. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2012.01.020
Wu, X., Zhang, Z., Cai, C., Zhou, J., & Zhang, W. (2024). Soil type regulates the divergent loss characteristics of sediment-associated carbon and nitrogen in different size classes during rainfall erosion on cultivated lands. Journal of Environmental Management, 354, 120479. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2023.120479
Yan, X., & Cai, Y. L. (2015). Multi-scale anthropogenic driving forces of karst rocky desertification in southwest China. Land Degradation & Development, 26(2), 193–200. https://doi.org/10.1002/ldr.2209
Zeng, Y., Fang, X., Xiang, W., Deng, X., & Peng, C. (2017). Stoichiometric and nutrient resorption characteristics of dominant tree species in subtropical Chinese forests. Ecology and Evolution, 7(24), 11033–11043. https://doi.org/10.1002/ece3.3590.

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از تاریخ 17 خرداد 1404
  • تاریخ دریافت: 30 فروردین 1404
  • تاریخ بازنگری: 10 خرداد 1404
  • تاریخ پذیرش: 17 خرداد 1404
  • تاریخ اولین انتشار: 17 خرداد 1404
  • تاریخ انتشار: 17 خرداد 1404