مجله جنگل ایران

مجله جنگل ایران

تحلیل سهم نسبی ویژگی‌های خاک در ذخیرۀ کربن زیرزمینی توده‌های دست‌کاشت جنگل‌های شرق هیرکانی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشجوی کارشناسی ارشد گروه علوم و مهندسی جنگل، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران.
2 استاد گروه علوم و مهندسی جنگل، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران. پژوهشگر مهمان، گروه جنگل‌شناسی و بوم‌شناسی جنگل‌های مناطق معتدله، دانشگاه گوتینگن، گوتینگن، آلمان
3 استادیار گروه علوم و مهندسی جنگل، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران.
10.22034/ijf.2025.556563.2082
چکیده
مقدمه: خاک جنگل مهم‌ترین مخزن کربن در اکوسیستم‌های خشکی است و پایداری کربن آن به ترکیب ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی خاک و همچنین نوع پوشش درختی وابسته است. در توده‌های دست‌کاشت که ساختار و عملکرد آنها تحت تأثیر انتخاب گونه و مداخلات انسانی قرار دارد، الگوهای ترسیب کربن ممکن است متفاوت با جنگل‌های طبیعی باشد. گونه‌های مختلف از طریق تفاوت در لاشبرگ، کیفیت ریشه، چرخۀ عناصر غذایی و فرایندهای اکوفیزیولوژیک، سازوکارهای متفاوتی در پویایی کربن خاک ایجاد می‌کنند؛ از این‌رو شناسایی این تفاوت‌ها برای مدیریت مبتنی بر گونه و افزایش پایداری کربن اهمیت دارد. پژوهش حاضر با هدف تحلیل سهم نسبی ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی خاک در ذخیرۀ کربن خاک سه تودۀ دست‌کاشت توسکای ییلاقی (Alnus subcordata C.A.Mey.)، بلندمازو (Quercus castaneifolia C.A.Mey.) و زربین (Cupressus sempervirens L.) در جنگل آموزشی- پژوهشی دارابکلا در استان مازندران انجام گرفت.
مواد و روش‌ها: در هر یک از توده‌ها، ۱۰ قطعه نمونه با ابعاد ۲۰×۲۰ متر به روش تصادفی–سیستماتیک پیاده شد و نمونه‌های خاک از عمق 20–0 سانتی‌متر برداشت شد. ویژگی‌های فیزیکی شامل درصد رطوبت، درصد اجزای بافت خاک و چگالی ظاهری و ویژگی‌های شیمیایی شامل pH، هدایت الکتریکی، درصد کربن آلی، درصد نیتروژن کل، فسفر قابل جذب، پتاسیم قابل جذب، کلسیم، غلظت نیترات و آمونیوم اندازه‌گیری شد. مقدار ذخیرۀ کربن خاک بر اساس درصد کربن آلی، چگالی ظاهری و عمق نمونه‌برداری محاسبه شد. داده‌ها با استفاده از آزمون‌های آماری تجزیۀ واریانس یکطرفه و تحلیل سهم نسبی در نرم‌افزار R تجزیه‌وتحلیل شدند.
یافته‌ها: نتایج نشان داد که تفاوت معنی‌داری میان برخی ویژگی‌های خاک در توده‌های مختلف وجود دارد. رطوبت خاک در تودۀ توسکای ییلاقی به‌طور معنی‌داری بیش از دو تودۀ دیگر بود (میانگین 47/42 درصد)، درحالی ‌که چگالی ظاهری در تودۀ زربین بیشترین مقدار (87/1 گرم بر سانتی‌متر مکعب) را داشت. از نظر ویژگی‌های شیمیایی، خاک تودۀ زربین دارای مقادیر بیشتری از فسفر (42/10 میلی‌گرم بر کیلوگرم)، پتاسیم (7/608 میلی‌گرم بر کیلوگرم) و کلسیم بود، درحالی‌ که نیتروژن کل و آمونیوم در تودۀ توسکای ییلاقی بیشترین مقادیر را نشان دادند. مقدار کربن آلی خاک در بین توده‌ها بین 47/3 تا 88/3 درصد متغیر بود، اما تفاوت معنی‌دار آماری میان توده‌ها مشاهده نشد. همچنین مقدار ترسیب کربن خاک نیز از 07/57 تا 27/72 تن در هکتار تغییر داشت، اما تفاوت معنی‌دار آماری میان توده‌ها مشاهده نشد. نتایج تحلیل مؤلفه‌های اصلی نشان داد که چهار مؤلفۀ نخست شامل فسفر، پتاسیم، هدایت الکتریکی و کربن آلی، 88/73 درصد از واریانس کل داده‌ها را تبیین کردند. مؤلفۀ اول به‌عنوان شاخص ویژگی‌های تغذیه‌ای و پایداری کربن شناسایی شد. مؤلفۀ دوم اغلب با رطوبت، نیتروژن و آمونیوم همبستگی مثبت داشت که بیانگر نقش فرایندهای زیستی در پویایی کربن است. بر اساس تحلیل سهم نسبی، در تودۀ توسکای ییلاقی سهم متغیرهای شیمیایی غالب است و حدود 95 درصد تغییرات ترسیب کربن را تبیین می‌کند. در تودۀ زربین، متغیرهای شیمیایی همچنان اثرگذارترند (80 درصد)، اما نقش متغیرهای فیزیکی نیز شایان ‌توجه است. در تودۀ بلندمازو الگوی متفاوتی مشاهده می‌شود؛ به‌طوری که متغیرهای فیزیکی سهم کمی بیشتری (56 درصد) نسبت به متغیرهای شیمیایی در تبیین ترسیب کربن دارند.
نتیجه‌گیری: یافته‌های پژوهش حاضر مؤید آن است که ویژگی‌هایی چون آمونیوم، کربن آلی، هدایت الکتریکی و درصد شن و سیلت نقش کلیدی در افزایش پایداری و ذخیره‌سازی کربن خاک دارند. نتایج این پژوهش نشان داد که نوع گونۀ جنگلکاری‌شده می‌تواند از طریق تغییر در ویژگی‌های شیمیایی و فیزیکی خاک، مسیرهای متفاوتی را در پایداری و ذخیرۀ کربن خاک رقم بزند. بر این اساس، گونه‌های مختلف با سازوکارهای متفاوتی بر چرخۀ کربن تأثیر می‌گذارند. بنابراین، انتخاب ترکیب گونه‌ای مناسب و مدیریت هوشمندانه خاک در توده‌های دست‌کاشت، می‌تواند راهکاری مؤثر برای ارتقای ظرفیت ذخیرۀ کربن و کاهش تأثیرات تغییر اقلیم در جنگل‌های هیرکانی باشد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Relative Contribution of Soil Properties to Soil Carbon Storage in Plantation Stands of Eastern Hyrcanian Forests

نویسندگان English

T Khoshtinat 1
S.M Hojjati 2
H Asadi 3
M Tafazoli 3
1 M.S. of Silviculture and Forest Ecology, Faculty of Natural Resources, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University, I. R. Iran.
2 Prof., Dept. of Forest Science and Engineering, Faculty of Natural Resources, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University, I. R. Iran. Visiting researcher, Silviculture and Forest Ecology of the Temperate Zones, University of Göttingen, Büsgenweg 1, Göttingen 37077, Germany.
3 Assistant Prof., Dept. of Forest Science and Engineering, Faculty of Natural Resources, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University, I. R. Iran.
چکیده English

Introduction: Forest soils are among the most important carbon reservoirs in terrestrial ecosystems, and their carbon storage is influenced by soil physical and chemical properties as well as tree species composition. In planted forests, where stand structure and function are influenced by species selection and management practices, soil carbon dynamics may differ from those in natural forests. Different tree species influence soil carbon dynamics through variations in litter production, root quality, nutrient cycling, and ecophysiological processes. Understanding these differences is important for species-based management and improving soil carbon storage. This study aimed to analyze the relative contributions of physical and chemical soil properties to soil carbon sequestration in stands of Caucasian alder (Alnus subcordata C.A.Mey.), chestnut-leaved oak (Quercus castaneifolia C.A.Mey.), and Mediterranean cypress (Cupressus sempervirens L.) in the Darabkola educational–research forest, Mazandaran Province, northern Iran.
Materials and Methods: In each stand, ten 20 × 20 m plots were established using a systematic random sampling design. Soil samples were collected from a depth of 0–20 cm. Physical soil properties included moisture content, texture, and bulk density, while chemical soil properties included pH, electrical conductivity (EC), organic carbon, total nitrogen, phosphorus, potassium, calcium, nitrate, and ammonium. Soil carbon sequestration was calculated based on soil organic carbon content, bulk density, and sampling depth. The data were analyzed using analysis of variance (ANOVA), principal component analysis (PCA), variance partitioning with the rdacca.hp package, and partial least squares regression (PLSR) in R.
Results: The results revealed significant differences in several soil properties among the three forest stands. Soil moisture was significantly higher in the A. subcordata stand (mean: 42.47%) than in the other two stands, whereas bulk density was highest in the C. sempervirens stand (1.87 g cm⁻³). Regarding chemical properties, the soil in the cypress stand had higher phosphorus (10.42 mg kg⁻¹), potassium (608.7 mg kg⁻¹), and calcium levels, whereas total nitrogen and ammonium concentrations were highest in the Caucasian alder stand. Soil organic carbon (SOC) content ranged from 3.47% to 3.88%, with no significant differences among stands, while soil carbon sequestration estimates ranged from 57.07 to 72.27 t ha⁻¹. The first four principal components explained 73.88% of the total variance. The first principal component (PC1) was strongly associated with phosphorus, potassium, EC, and SOC, whereas the second component (PC2) was associated with soil moisture, nitrogen, and ammonium. Variance partitioning indicated that chemical variables accounted for approximately 95% of the explained variation in soil carbon sequestration in the A. subcordata stand. In the C. sempervirens stand, chemical variables accounted for 80% of the variation, although physical properties also contributed. In contrast, the Q. castaneifolia stand exhibited a different pattern, with physical variables accounting for a slightly greater proportion (56%) of the variation in soil carbon sequestration than chemical variables. PLSR identified ammonium, SOC, and EC as the most influential variables in the A. subcordata stand; sand, SOC, and silt in the Q. castaneifolia stand; and SOC, EC, and phosphorus in the C. sempervirens stand.
Conclusion: The findings highlight differences in the relative contributions of soil physical and chemical properties to soil carbon sequestration among the three planted forest stands. Soil properties, including ammonium, SOC, EC, and soil texture, were among the variables most strongly associated with variation in carbon sequestration, although their relative importance differed among stands. These findings further suggest that planted tree species may influence soil carbon storage through their associations with soil properties. Considering species-specific soil characteristics in forest management, alongside further research on biological processes, mixed-species stands, deeper soil layers, and temporal changes, may help improve understanding of soil carbon dynamics and support strategies to enhance soil carbon storage in the Hyrcanian forests.

کلیدواژه‌ها English

Climate change
Forest soil carbon dynamics
Soil physical and chemical properties
Variance partitioning
Alidoust, E., Afyuni, M., Hajabbasi, M.A., & Mosaddeghi, M.R. (2018). Soil carbon sequestration potential as affected by soil physical and climatic factors under different land uses in a semiarid region. Catena, 171, 62-71. https://doi.org/10.1016/j.catena.2018.07.005
Asadi, H., Jalilvand, H., & Moslemi Seyed Mahalleh, S.M. (2021). Classification of plant communities and their relationship with physiographic factors in the Darabkola Forest of Mazandaran Province. Iranian Journal of Applied Ecology, 10(3), 17-33. http://dx.doi.org/10.47176/ijae.10.3.13521 (In Persian)
Asghari Aghozgaleh, K., Jalilvand, H., & Asadi, H. (2023). Effect of forest restoration with broad-leaved and coniferous species on soil properties and carbon storage: A case study of Kolet Forest. Environmental Sciences, 21(4). (In Persian)
Badeiyan, Z., Ziaoddin, M., Mansouri, F., Fosahat, S., Fakhari, M., & Hosseini, S. (2016). Investigation of soil carbon sequestration in different afforested and natural forest types (Case study: Chamestan forestry plan, Mazandaran). Journal of Forest and Wood Products, 69(3), 523–534. (In Persian)
Cortijos-López, M., Sanchez-Navarrete, P., Lasanta, T., & Nadal-Romero, E. (2023). How do acid or alkaline soil environments affect soil organic carbon stocks in a post-abandonment secondary succession process in Mediterranean mountain areas?. Catena, 232, 107384. https://doi.org/10.1016/j.catena.2023.107384
Das, S., Beegum, S., Acharya, B.S., & Panday, D. (2025). Soil Carbon Sequestration: A Mechanistic Perspective on Limitations and Future Possibilities. Sustainability, 17(13), 6015. https://doi.org/10.3390/su17136015
Gerke, J. (2022). The central role of soil organic matter in soil fertility and carbon storage. Soil Systems, 6(2), 33. https://doi.org/10.3390/soilsystems6020033
Ghimirey, V., Chaurasia, J., & Acharya, N. (2025). Understanding soil carbon sequestration: mechanistic insights, management approaches, and future challenges. Discover Soil, 2(1), 101. https://doi.org/10.1007/s44378-025-00133-5
Gren, I.M., & Aklilu, A.Z. (2016). Policy design for forest carbon sequestration: A review of theliterature. Forest Policy and Economics, 70, 128–136. https://doi.org/10.1016/j.forpol.2016.06.008
Hashemi, S.A., Hojjati, S.M., Hoseiny Nasr, S.M., Asadyan, M., & Tafazoli, M. (2017). Studying soil
physical, chemical and net Nitrogen mineralization in plantation and natural stands in Darabkola Forest (Sari). Forest Research and Development, 3(2), 119-132. (In persian)
Heslop, C.B., Ruess, R.W., Kielland, K., & Bret‐Harte, M.S. (2021). Soil enzymes illustrate the effects of alder nitrogen fixation on soil carbon processes in arctic and boreal ecosystems. Ecosphere, 12(11), e03818. https://doi.org/10.1002/ecs2.3818
Hojjati, S.M., Hashemi, S.A., Hosseyni, S.M., Asadiyan, M., & Tafazoli, M. (2020). The Effect of plantation with native and exotic species on soil CO2 emissions (The case study: Darabkola forest). Journal of Plant Ecosystem Conservation, 8(16), 95-110. (In Persian)
Huluka, G., & Miller, R. (2014). Particle size determination by hydrometer method. Southern Cooperative Series Bulletin, 419, 180-184.
Iranmanesh, M., & Sadeghi, H. (2019). Effects of soil texture and nitrogen on ability of carbon sequestration in different organs of two Tamarix species as a good choice for carbon stock in dry lands. Ecological Engineering, 139, 105577. https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2019.08.007
Jafari Haghighi, M. (2003). Methods of soil analysis. Nedaye Zoha Publications, 236p. (In Persian)
Juhos, K., Madarász, B., Kotroczó, Z., Béni, Á., Makádi, M., & Fekete, I. (2021). Carbon sequestration of forest soils is reflected by changes in physicochemical soil indicators─ A comprehensive discussion of a long-term experiment on a detritus manipulation. Geoderma, 385, 114918. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2020.114918
Kooch, Y., Hosseini, S.M., Zaccone, C., Jalilvand, H., & Hojjati, S.M. (2012). Soil organic carbon sequestration as affected by afforestation: the Darab Kola forest (North of Iran) case study. Journal of Environmental Monitoring, 14(9), 2438-2446. https://doi.org/10.1039/c2em30410d
Kuhn, M.  (2008). Building predictive models in R using the caret package. Journal of statistical software, 28, 1-26. https://doi.org/10.18637/jss.v028.i05
Lai, J., Zou, Y., Zhang, J., & Peres‐Neto, P.R. (2022). Generalizing hierarchical and variation partitioning in multiple regression and canonical analyses using the rdacca. hp R package. Methods in Ecology and Evolution, 13(4), 782-788. https://doi.org/10.1111/2041-210X.13800
Lê, S., Josse, J., & Husson, F. (2008). FactoMineR: an R package for multivariate analysis. Journal of statistical software, 25, 1-18. https://doi.org/10.18637/jss.v025.i01
Legg, S. (2021). IPCC, 2021: Climate change 2021—the physical science basis. Interaction, 49(4), 44–45.
Lemenih, M., Gidyelew, T., & Teketay, D. (2004). Effects of canopy cover and understory environment of tree plantations on richness, density and size of colonizing woody species in southern Ethiopia. Forest Ecology and Management, 194(1-3), 1-10. https://doi.org/10.1016/j.foreco.2004.01.050
Liu, Y., & Zhao, L. (2020). Effect of plant morphological traits on throughfall, soil moisture, and runoff. Water, 12(6), 1731. https://doi.org/10.3390/w12061731
Mehrnoosh, S., Beheshti Ale Agha, A., Rakhsh, F., Pourreza, M., & Safari Sinegani, A.A. (2022). Comparison of soil biological activity in forest with coniferous and broadleaf trees in Biston region of Kermanshah. Water and Soil, 36(5), 593-610. https://doi.org/10.22067/JSW.2022.78164.1189
Montgomery, D.C. (2012). Design and Analysis of Experiments. 8th Edition, John Wiley & Sons, New York.
Yaghoubi sis, Y., Moshki, A., Asadiyan, M., & Mollashahi, M. (2025). Soil Physico-Chemical Properties and Below-Ground Carbon Storage: Insights from Natural Versus Plantation Forests in Northern Iran. Ecopersia, 13(3), 253-265. https://doi.org/10.22034/ECOPERSIA.13.3.253
Naderi, K., Moghaddasi, M., & Shokri, A. (2022). Drought occurrence probability analysis using multivariate standardized drought index and copula function under climate change. Water Resources Management, 36(8), 2865-2888.
Nobakht, A., Pourmajidian, M.R., Hojjati, S.M., & Fallah, A. (2011). Comparison of soil carbon sequestration in pure coniferous and broadleaf afforestation (case study: Damiyan afforestation project, Mazandaran). Journal of Iranian Forestry, 3(1), 13–23. (In Persian)
Nouraei, A.S., Jalilvand, H., Hojjati, S.M., & Alavi, S.J. (2021). Variability of soil quality characteristics in oak (Quercus castaneifolia) and Monterrey pine (Pinus radiata) plantations. Iranian Journal of Soil Research, 35(1), 27–40. https://doi.org/10.22092/ijsr.2021.351345.541. (In Persian(
Osabohien, R., Matthew, O.A., Aderounmu, B., & Olawande, T. (2019). Greenhouse gas emissions and crop production in West Africa: Examining the mitigating potential of social protection. International Journal of Energy Economics and Policy, 9(1), 57-66.
Pan, Y., Birdsey, R. A., Phillips, O. L., Houghton, R. A., Fang, J., Kauppi, P. E., Keith, H., Kurz, W. A., Ito, A., Lewis, S. L., Nabuurs, G.-J., Shvidenko, A., Hashimoto, S., Lerink, B., Schepaschenko, D., Castanho, A., & Murdiyarso, D. (2024). The enduring world forest carbon sink. Nature, 631, 563–569. https://doi.org/10.1038/s41586-024-07618-6
Patou, M., Hamedi Ghazi, A., Peyman, M., Moradi, S., & Sohrab, M. (2025). Evaluation of stem carbon storage and volumetric growth of Populus nigra L. in West Azerbaijan Province. Iranian Journal of Forests, e229490. (In Persian)
Perakis, S.S., & Pett-Ridge, J.C. (2019). Nitrogen-fixing red alder trees tap rock-derived nutrients. Proceedings of the National Academy of Sciences, 116(11), 5009-5014. https://doi.org/10.1073/pnas.1814782116
Piper, C. S. (2019). Soil and plant analysis. Scientific Publishers, India
Rodríguez-Albarracín, H. S., Demattê, J. A. M., Rosin, N. A., Contreras, A. E. D., Silvero, N. E. Q., Cerri, C. E. P., Mendes, W. S., & Tayebi, M. (2023). Potential of soil minerals to sequester soil organic carbon. Geoderma, 436, 116549. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2023.116549
Sheikh, M.A., Kumar, M., & Bussmann, R.W. (2009). Altitudinal variation in soil organic carbon stock in coniferous subtropical and broadleaf temperate forests in Garhwal Himalaya. Carbon balance and management, 4(1), 6. https://doi.org/10.1186/1750-0680-4-6
Smith, P., House, J. I., Bustamante, M., Sobocká, J., Harper, R., Pan, G., West, P. C., Clark, J. M., Adhya, T., Rumpel, C., Paustian, K., Kuikman, P., Cotrufo, M. F., Elliott, J. A., McDowell, R., Griffiths, R. I., Asakawa, S., Bondeau, A., Jain, A. K., Meersmans, J., & Pugh, T. A. M. (2016). Global change pressures on soils from land use and management. Global change biology, 22(3), 1008-1028. https://doi.org/10.1111/gcb.13068
Soronen, P., Jämtgård, S., Myllymäki, M., & Smolander, A. (2025). Soil carbon and nitrogen near alder, birch and spruce trees in four mixed Norway spruce-dominated stands. Forest Ecology and Management, 598, p.123224. https://doi.org/10.1016/j.foreco.2025.123224
Suwethaasri, D., Aiswaryalakshmi, A. R., Krishnamoorthi, S., Bargavi, S., Kabinesh, V., Vijayabhama, M., Hemalatha, P., Ragunath, K. P., Kalpana, M., Tilak, M., Ravi, R., & Baranidharan, K. (2025). Assessing the impact of climate change on forest biomass and carbon sequestration in India: A systematic review. Plant Science Today, 12(3):1-12. https://doi.org/10.14719/pst.8115
Tadiello, T., Perego, A., Valkama, E., Schillaci, C., & Acutis, M. (2022). Computation of total soil organic carbon stock and its standard deviation from layered soils. MethodsX, 9, 101662. https://doi.org/10.1016/j.mex.2022.101662
Tong, A., Liu, W., Liu, X., Zhu, J., Zhou, Y., & Li, J. (2025). Comparative analysis of actinorhizal nodule and associated soil microorganism diversity and structure in three Alnus species. Frontiers in Plant Science, 16, 1572494. https://doi.org/10.3389/fpls.2025.1572494
Usman, J., & Begum, S. (2023). SOC stocks prediction on the basis of spatial and temporal variation in soil properties by using partial least square regression. Scientific Reports, 13(1), p.7949. https://doi.org/10.1038/s41598-023-34607-9
Wang, Z., Zhang, H., Wang, S., Cheng, J., Wang, C., Zhou, G., Zhang, S., & Chen, L. (2024). A machine learning method based on TPE-XGBoost model for TRIP/TWIP near-β titanium alloy design. Materials Today Communications, 41, 110309. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2024.110309
Wiesmeier, M., Prietzel, J., Barthold, F., Spörlein, P., Geuß, U., Hangen, E., Reischl, A., Schilling, B., von Lützow, M., & Kögel-Knabner, I. (2013). Storage and drivers of organic carbon in forest soils of southeast Germany (Bavaria)–Implications for carbon sequestration. Forest ecology and management, 295, 162-172. https://doi.org/10.1016/j.agee.2013.05.012
Xu, K., Zou, G., & Hu, H. (2025). Forest carbon sequestration functions and mitigation strategies for global climate change. In Forest Science-Advances towards Sustainable Development and Climate Resilience. IntechOpen. https://doi.org/10.5772/intechopen.1009089
 (Zhang, J., Wang, F., Yang, J., Zhang, Y., Qiu, L., Chen, Z., Wang, X., Zhang, T., Li, S., Tong, J., Lu, S., & Zhang, Y.  2025). Effects of tree species on soil organic carbon mineralization. Forests, 16(7), 1145. https://doi.org/10.3390/f16071145
دوره 18، شماره 2 - شماره پیاپی 2
تابستان 1405
صفحه 183-199

  • تاریخ دریافت 12 آبان 1404
  • تاریخ بازنگری 02 آذر 1404
  • تاریخ پذیرش 22 آذر 1404