مطالعات علوم محیط زیست

مطالعات علوم محیط زیست

تأثیر طولانی‌مدت مدیریت‌های مختلف کشاورزی بر برخی ویژگی‌های شیمیایی خاک

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانش‌آموخته کارشناسی ارشد علوم خاک، دانشکده کشاورزی، دانشگاه جیرفت، جیرفت، ایران.
2 استادیار گروه علوم خاک، دانشکده کشاورزی، دانشگاه جیرفت، جیرفت، ایران
10.22034/jess.2025.524920.2377
چکیده
کیفیت خاک تحت تأثیر عوامل ذاتی مانند ماده مادری و شرایط اقلیمی قرار دارد، اما عوامل اکتسابی از جمله شیوه‌های مدیریت خاک و تغییرات کاربری اراضی نیز نقش مهمی در تعیین آن ایفا می‌کنند. بنابراین، شناخت دقیق تأثیرات این عوامل و تعامل بین آن‌ها برای دستیابی به مدیریت پایدار خاک ضروری است. پژوهش حاضر با هدف بررسی اثرات بلندمدت انواع مدیریت کشاورزی بر ویژگی‌های خاک در دشت جیرفت انجام گرفت. چهار نوع کاربری شامل اراضی کشت‌نشده (شاهد)، اراضی زراعی با تناوب کشت سیب‌زمینی و پیاز، اراضی باغی مرکبات و اراضی گلخانه‌ای انتخاب شدند. نمونه‌برداری از خاک سطحی در سه منطقه مختلف و با سه تکرار انجام شد. پارامترهای pH، هدایت الکتریکی (EC)، نسبت جذب سدیم (SAR)، کربن آلی، ظرفیت تبادل کاتیونی (CEC) و میزان فسفر و پتاسیم قابل جذب اندازه‌گیری گردید. نتایج نشان داد که روش‌های مختلف مدیریت کشاورزی تأثیر قابل توجهی بر ویژگی‌های خاک دارند. بیشترین مقدار pH در اراضی زراعی و باغی و کمترین در اراضی گلخانه‌ای مشاهده شد. همچنین، اراضی گلخانه‌ای و زراعی باعث افزایش معنادار هدایت الکتریکی خاک شدند که این موضوع بیانگر افزایش شوری و اثرات منفی احتمالی فعالیت‌های کشاورزی است. در مقابل، میزان کربن آلی در اراضی باغی و تا حدی در اراضی گلخانه‌ای نسبت به اراضی کشت‌نشده بالاتر بود. ظرفیت تبادل کاتیونی در اراضی باغی به طور معناداری بیشتر از سایر کاربری‌ها، به ویژه اراضی شاهد، بود که این پارامتر همبستگی مثبت و معناداری با درصد رس و ماده آلی خاک داشت. همچنین، فسفر و پتاسیم قابل جذب در خاک اراضی گلخانه‌ای و زراعی افزایش چشمگیری داشت که احتمالاً ناشی از مصرف بیشتر کودهای شیمیایی است. در مجموع، یافته‌ها نشان می‌دهد که تغییر کاربری اراضی و شیوه‌های مدیریت کشاورزی نقش مهمی در تغییر ویژگی‌های خاک دارند؛ بنابراین، پایش مستمر این پارامترها برای حفظ پایداری تولید کشاورزی امری حیاتی است.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

The long-term effects of different agricultural management practices on selected soil chemical properties

نویسندگان English

Mahmoud Arzhangnia 1
ghobad jalali 2
Javad Zamani 2
Farideh Abbaszadeh Afshar 2
1 M.Sc. of Soil Sciences, Faculty of Agriculture, University of Jiroft, . Jiroft. Iran
2 Assistant Professor, Department of Soil Science, Faculty of Agriculture, University of Jiroft, Jiroft. Iran
چکیده English

Introduction

Human interventions, particularly land-use changes and agricultural management practices, exert a profound and lasting influence on soil quality indicators. Numerous studies have demonstrated that such interventions can significantly alter soil physical and chemical properties. Practices like excessive application of chemical fertilizers often degrade soil quality, while appropriate management techniques such as conservation tillage, crop residue retention, and the use of organic or manure-based fertilizers can help maintain or even improve soil health.
A thorough review of the global literature reveals that the effects of land-use change on soil characteristics are highly dependent on ecosystem type and climate conditions. For instance, findings from temperate and tropical humid ecosystems differ markedly from those observed in arid and semi-arid climates. Meta-analyses have shown that land-use change often has a more pronounced and enduring impact on soil organic carbon (SOC) than climatic variation alone, with reported declines in SOC reaching up to 30% in some cases. The conversion of natural ecosystems such as primary forests or grasslands into agricultural lands has also been associated with significant reductions in SOC, cation exchange capacity (CEC), and increases in soil salinity (EC). However, these impacts vary based on land-use history, soil type, and management intensity.
While long-term land-use changes can lead to either beneficial or adverse outcomes, most evidence suggests that, in the absence of sustainable management, converting natural land to intensive agriculture typically accelerates soil degradation processes, including nutrient depletion, erosion, and reduced water-holding capacity. On the other hand, implementing sustainable agricultural practices may enhance certain soil quality indicators particularly when organic inputs are emphasized.
These findings underscore the need for region-specific assessments, as generalizations from one ecological zone may not be valid in another. In this context, the Jiroft Plain an agriculturally vital region in southern Iran with a dry to semi-arid climate has received limited research attention regarding the impacts of land-use change on soil quality. Given its strategic importance in national food production, this study aims to investigate the long-term effects of different land-use types on key soil chemical properties in the Jiroft region, with the goal of informing sustainable soil and land management strategies.
Materials and methods
Geologically, the Jiroft Plain is situated within the Central Iranian sedimentary basin and is delineated from the Kavir Basin by the Jebalbarez mountain range, which trends northwest to southeast. Additionally, it forms part of the Bazzman-Sahand volcanic belt. The study area is geographically positioned at 28°35′14″N latitude and 57°48′14″E longitude. Within the Jiroft Plain, three agricultural zones characterized by distinct land-use types were selected: rangeland (non-cultivated land adjacent to agricultural areas), arable land (cultivated under an annual potato-onion rotation), orchards (citrus), and greenhouse cultivation (greenhouse cucumber). The selection of these sites was guided by two primary criteria: long-term land-use stability (no changes over several years) and a minimum of 20 years of continuous cultivation following the specified cropping system.
For each land-use category, three composite soil samples were collected, each comprising ten subsamples taken from a standard soil depth. The analyses included determination of soil clay content via the hydrometer method, organic carbon content by the Walkley-Black method, soil pH in saturated paste, electrical conductivity in saturated extract, available phosphorus using the Olsen method, exchangeable potassium by the one-normal ammonium acetate method, and cation exchange capacity (CEC) through ammonium acetate and sodium acetate extractions. Sodium concentration in the saturated paste extract was measured using flame photometry, while calcium and magnesium concentrations were quantified by atomic absorption spectroscopy. Subsequently, the Sodium Adsorption Ratio (SAR) was calculated based on these measurements.
Results and discussion
The analysis of variance results demonstrated that land-use type exerted a statistically significant effect (at the 1% probability level) on all examined soil properties. Comparative analysis of mean pH values revealed that soils under arable and orchard land uses exhibited higher pH levels than those under greenhouse cultivation across all three study regions. Additionally, the comparison of mean values indicated that agricultural management practices, particularly greenhouse cultivation and the cultivation of onions and potatoes, significantly increased soil salinity compared to uncultivated lands in all regions.
Furthermore, although soils under agricultural land uses displayed higher Sodium Adsorption Ratio (SAR) values than uncultivated soils across all study sites, this increase did not reach statistical significance. Organic carbon content varied substantially among the land uses, ranging from 0.06% to 1.34%, with the highest concentration observed in orchard soils within region 2 and the lowest in uncultivated soils in region 3. Cation exchange capacity (CEC) under different land uses ranged from 3.86 to 12.40 cmol(+) kg⁻¹, with orchard lands in region 2 exhibiting the highest values, while the lowest CEC was recorded in uncultivated soils in region 1. The studied land uses also had a significant positive impact on soil phosphorus and potassium contents. The elevated concentrations of these nutrients in greenhouse soils were primarily attributed to the intensive application of chemical fertilizers containing phosphorus and potassium, in contrast to the control (uncultivated) soils. Given phosphorus’s relative immobility in soil, it tends to accumulate rather than leach, especially under excessive fertilizer application aimed at increasing crop yield. The reduced phosphorus levels observed in uncultivated lands were attributed to the absence of fertilizer inputs. Notably, phosphorus toxicity has recently emerged as a challenge in certain greenhouses within the Jiroft region, imposing additional costs on farmers for soil remediation.
Conclusion
Land use and land management practices, particularly over the long term, lead to significant changes in soil properties. Addressing this issue across various regions of the country is essential to prevent uncontrolled soil degradation. Generally, natural land uses, due to the absence of soil disturbance, contribute more effectively to soil conservation compared to other land-use types. Although converting land to agricultural use may enhance certain soil characteristics such as organic matter content, cation exchange capacity, and even soil salinity this improvement does not necessarily imply the absence of soil degradation associated with such changes. The application of fertilizers, especially chemical fertilizers, in agricultural lands can lead to the accumulation of elements like phosphorus in the soil, necessitating careful monitoring. To safeguard soil health, appropriate land management practices must be adopted in the region’s agricultural lands. Furthermore, sustainable soil management in regional agriculture requires regular assessment of soil properties ideally at intervals of a few years to effectively evaluate the impacts of land-use changes.

کلیدواژه‌ها English

Soil quality
Land-use change
Agricultural management
Soil properties
1.       Al-Khashman, O. A. 2013. Assessment of heavy metals contamination in deposited street dusts in different urbanized areas in the city of Ma’an, Jordan. Environmental Earth Sciences, Vol. 70, p. 2603–2612.
2.       Amini, M., et al. 2005. Neural network models to predict cation exchange capacity in arid regions of Iran. European Journal of Soil Science, Vol. 56, p. 551–559.
3.       Bahrami, A., et al. 2010. Land-use change and soil degradation: A case study, North of Iran. Agriculture and Biology Journal of North America, Vol. 1, p. 600–605.
4.       Banat, K., et al. 2005. Heavy metals in urban soils of central Jordan: should we worry about their environmental risks? Environmental Research, Vol. 97, p. 258–273.
5.       Beillouin, D. et al. 2023. Land-use and land-management change outweigh climate change in affecting soil carbon. Nature Communications, Vol. 14, p. 3934.
6.       Borrelli, P., et al. 2017. An assessment of the global impact of 21st century land use change on soil erosion. Nature Communications, Vol. 8, p. 2013.
7.       Bouyoucos, G. J. 1951. A recalibration of the hydrometer method for making mechanical analysis of soils. Soil Science, Vol. unknown.
8.       Bowman, R., et al. 1990. Changes in soil properties in a central plains rangeland soil after 3, 20, and 60 years of cultivation. Soil Science, Vol. 150, p. 851–857.
9.       Chibsa, T. & Ta’a, A. 2009. Assessment of soil organic matter under four land use systems in Bale Highlands, Southeast Ethiopia. World Applied Sciences Journal, Vol. 6, p. 1231–1246.
10.   Ćirić, V., et al. 2023. The implication of cation exchange capacity (CEC) assessment for soil quality management and improvement. Agriculture & Forestry, Vol. 69.
11.   Don, A. et al. 2011. Impact of tropical land-use change on soil organic carbon stocks – a meta-analysis. Global Change Biology, Vol. 17, p. 1658–1670.
12.   Geissen, V., et al. 2009. Effects of land-use change on some properties of tropical soils—an example from Southeast Mexico. Geoderma, Vol. 151, p. 87–97.
13.   Hazelton, P. & Murphy, B. 2016. Interpreting soil test results: What do all the numbers mean? CSIRO Publishing.
14.   Hollister, E. B., et al. 2010. Shifts in microbial community structure along an ecological gradient of hypersaline soils and sediments. The ISME Journal, Vol. 4, p. 829–838.
15.   Knudsen, D., et al. 1982. Lithium, sodium, and potassium. Methods of Soil Analysis: Part 2 Chemical and Microbiological Properties, Vol. 9, p. 225–246.
16.   Li, Y.-L., et al. 2010. Variability of soil carbon sequestration capability and microbial activity of different types of salt marsh soils at Chongming Dongtan. Ecological Engineering, Vol. 36, p. 1754–1760.
17.   Lupwayi, N., et al. 2004. Decomposition of crop residues under conventional and zero tillage. Canadian Journal of Soil Science, Vol. 84, p. 403–410.
18.   Manna, M. C., et al. 2007. Long-term fertilization, manure and liming effects on soil organic matter and crop yields. Soil and Tillage Research, Vol. 94, p. 397–409.
19.   Nelson, D. W. & Sommers, L. E. 1982. Total carbon, organic carbon, and organic matter. Methods of Soil Analysis: Part 2 Chemical and Microbiological Properties, Vol. 9, p. 539–579.
20.   Page, A. L. 1982. Methods of soil analysis. Part 2. Chemical and microbiological properties. Soil Science Society of America.
21.   Rumpel, C. et al. 2020. The role of soils in contributing to climate change mitigation and adaptation. Nature Sustainability, Vol. 3, p. 391–398.
22.   Saidian, M., et al. 2016. Effect of clay and organic matter on nitrogen adsorption specific surface area and cation exchange capacity in shales (mudrocks). Journal of Natural Gas Science and Engineering, Vol. 33, p. 1095–1106.
23.   Salehi, M. H., et al. 2008. Developing soil cation exchange capacity pedotransfer functions using regression and neural networks and the effect of soil partitioning on the accuracy and precision of estimation. International Meeting on Soil Fertility, Land Management and Agroclimatology, Turkey, p. 345–356.
24.   Sauvadet, M., et al. 2016. Comparing the effects of litter quantity and quality on soil biota structure and functioning: Application to a cultivated soil in Northern France. Applied Soil Ecology, Vol. 107, p. 261–271.
25.   Tang, L., et al. 2009. Artificial neural network approach for predicting cation exchange capacity in soil based on physico-chemical properties. Environmental Engineering Science, Vol. 26, p. 137–146.
26.   Tellen, V. A. & Yerima, B. P. 2018. Effects of land use change on soil physicochemical properties in selected areas in the North West region of Cameroon. Environmental Systems Research, Vol. 7, p. 1–29.
27.   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, Vol. 37, p. 29–38.
28.  بوستانی، ح.، نجفی قیری، م. و محمودی، ع.، ۱۳۹۸. اثر تغییر کاربری اراضی بر شکل‌های شیمیایی پتاسیم و قابلیت استفاده برخی عناصر غذایی خاک در منطقه داراب، استان فارس. تحقیقات کاربردی خاک، دوره ۷، شماره ۳، ص ۱۹۱۱۸۰.
29.  بیات، ح.، دواتگر، ن. و معلمی، س.، ۱۳۹۰. استفاده از سطح ویژه برای بهبود تخمین ظرفیت تبادل کاتیونی خاک از طریق شبکه‌های عصبی مصنوعی، نشریه دانش آب و خاک، دوره ۲2، شماره ۴، ص ۱۱۹-۱۰۵.
30.  تقی‌زاده‌قصاب، ا.، صفادوست، آ. و مصدقی، م.، ۱۳۹۸. اثر شوری و سدیمی بودن آب آبیاری بر برخی ویژگی‌های فیزیکی خاک، مدیریت آب در کشاورزی، دوره ۶، شماره ۲، ص ۱۴۴۱۳۳.
31.  جعفری، م.، آذرنیوند، ح.، حاجی‌بگلو، ع. و علیزاده، ا.، ۱۳۸۹. بررسی کیفیت لاشبرگ و اندام هوایی و تأثیر آن بر خاک رویشگاه چهار گونه مرتعی (ارزیابی موردی: همند آبسرد)، نشریه مرتع و آبخیزداری، دوره ۶۳، شماره ۳، ص ۳۱۸۳۰۷.
32.  جهان‌تیغ، م. و جهان‌تیغ، م.، ۱۳۹۸. بررسی اثر تغییر کاربری اراضی بر برخی خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک و فرسایش‌ در مناطق خشک (مطالعه موردی: منطقه‌ی هیرمند سیستان)، پژوهش‌های فرسایش محیطی، دوره ۹، شماره ۴، ص ۱۱۸۹۲.
33.  حاج‌عباسی، م. ع.، بسالت‌پور، ا. و مللی، ا. ر.، ۱۳۸۶. اثر تبدیل مراتع به اراضی کشاورزی بر برخی ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی خاک‌های جنوب و جنوب غربی اصفهان، علوم آب و خاک، دوره ۱۱، شماره ۴۲، ص ۵۳۴۵۲۵.
34.  طاعتی، ع.، سرمدیان، ف.، متقیان، ح. و موسوی، س. ر.، ۱۳۹۹. پهنه‌بندی برخی ویژگی‌های سطحی و عمقی پروفیل خاک با استفاده از تکنیک زمین‌آمار در بخشی از اراضی دشت قزوین، فصلنامه انسان و محیط زیست، دوره 18، شماره 1.
35.  کابلی، س. ح.، فخری، ف.، جعفری، ع. ا. و بیات، پ.، ۱۳۹۷. بررسی تغییرات برخی خصوصیات خاک در رویشگاه‌های طبیعی گیاه لگجی (Capparis spinosa) در استان بوشهر، نشریه علمی ـ پژوهشی مرتع و آبخیزداری، دوره ۷۱، شماره ۲، ص ۴۳۸۴۳۱.
36.  کریمیان کلیشادرخی، م.، کوچکی، ع. و نصیری محلاتی، م.، ۱۴۰۰. تأثیر روش‌های مدیریتی بر خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک در بوم‌نظام‌های کشاورزی استان اصفهان، بوم‌شناسی کشاورزی، دوره ۱۳، شماره ۴، ص ۵۹۲۵۸۱.
37.  محمدی، ص.، ۱۳۹۵. بررسی اثر کاربری‌های مختلف اراضی بر برخی خصوصیات شیمیایی خاک در منطقه جمال‌آباد شهرستان بافت، نشریه علمی ـ پژوهشی مرتع و آبخیزداری، دوره ۶۹، شماره ۴، ص ۱۰۷۳۱۰۶۳.
38.  مظفری، ح.، موسوی، س. ع. ا. و احمدی، ف.، ۱۳۹۹. بهبود برآورد ظرفیت تبادل کاتیونی خاک با استفاده از ابعاد فرکتالی، تحقیقات آب و خاک ایران، دوره ۵۱، شماره ۱۲، ص ۳۱۰۲-۳۰۸۸.
39.  مقیمی‌نژاد، ف.، جعفری، م.، زارع چاهوکی، م. ع.، قاسمی‌آریان، ی. و کهندل، ا.، ۱۳۹۳. مقایسه خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک بین دو منطقه قرق و چراشده (مطالعه موردی: نظرآباد کرج)، تحقیقات مرتع و بیابان ایران، دوره ۲۱، شماره ۴، ص ۶۵۰-۶۴۳.
40.  ملک‌پور، ب.، احمدی، ت. و کاظمی مازندرانی، س. س.، ۱۳۹۰. تأثیر تغییر کاربری اراضی مرتعی بر خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک در کهنه لاشک کجور شهرستان نوشهر، فصلنامه علوم و فنون منابع طبیعی، دوره ۶، شماره ۳، ص ۱۲6-۱۱5.
41.  مولایی آرپناهی، م.، صالحی، م. ح.، کریمیان اقبال، م. و مصلح، ز.، ۱۳۹۹. تأثیر تغییر کاربری اراضی بر برخی از شاخص‌های فیزیکی و شیمیایی کیفیت خاک، منطقه بازفت (استان چهارمحال و بختیاری)، آب و خاک، دوره ۳۴، شماره ۳، ص ۷۲۰۷۰۷.
42.  نادریان‌فر، م.، فاریابی، ا.، کوهستانی، ش. و صفوی گردینی، م.، ۱۴۰۰. بررسی تغییرات نوسانات سطح آب زیرزمینی در حوضه آبریز هلیل رود جیرفت، نشریه علمی پژوهشی مهندسی آبیاری و آب ایران، سال ۱۱، شماره ۴، ص ۱۵۹۱۴۱.