مجله جنگل ایران

مجله جنگل ایران

تغییرات فصلی مقاومت مکانیکی ریشه و مقدار مسلح‌سازی خاک در جنگلکاری 45 سالۀ بلندمازو (Quercus castaneifolia C.A.Mey.) (جنگل خیرود، بخش پاتم)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانش‌آموختۀ کارشناسی ارشد، گروه جنگلداری و اقتصاد جنگل، دانشکدۀ منابع طبیعی، پردیس کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران
2 استاد، گروه جنگلداری و اقتصاد جنگل، دانشکدة منابع طبیعی، دانشکدگان کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران
3 استادیار، مرکز کسب‌وکار جنگل، دانشکدگان جنگلداری، کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه آرکانزاس در مانتیسلو، مانتیسلو، آرکانزاس، آمریکا
4 استادیار، گروه آمار، دانشکدۀ علوم فنی و مهندسی، دانشگاه گنبدکاووس، گنبدکاووس، ایران
10.22034/ijf.2026.585088.2123
چکیده
مقدمه: بهره‌گیری از پوشش گیاهی و دانش زیست‌مهندسی خاک، یکی از روش‌های همگام با طبیعت برای کنترل فرسایش و کاهش ناپایداری دامنه‌هاست. از بین بخش‌های مختلف پوشش‌ گیاهی شامل تاج، تنه و ریشه‌ها، سیستم ریشه در پایدارسازی و تثبیت دامنه‌ها اهمیت بیشتری دارد. عوامل بسیاری بر مقدار مسلح‌سازی ریشه‌ها تأثیر دارند که یکی از آنها که کمتر نیز بررسی شده تغییر فصل‌هاست. این پژوهش با هدف بررسی اثر فصل بر ویژگی‌های مکانیکی ریشه و مقدار مسلح‌سازی خاک توسط سیستم ریشه‌ای درختان، در یک تودۀ جنگلکاری 45‌سالۀ بلندمازو در جنگل خیرود در نزدیکی نوشهر انجام گرفت. این عرصه پیش از جنگلکاری، یک تودۀ مخروبۀ ممرز (Carpinus betulus L.) بود که پس از قطع یکسره، با نهال‌های بلندمازو جنگلکاری شد.
مواد و روش‌ها: ابتدا چهار پایه درخت بلندمازو به‌ترتیب با میانگین قطر برابرسینه و ارتفاع 5/16 سانتی‌متر و 10 متر به‌صورت تصادفی برای نمونه‌برداری انتخاب شد. برای بررسی پراکنش جانبی سیستم ریشه‌ها، در سمت پایین شیب هر پایه یک پروفیل با فاصلۀ افقی نیم متر از تنه و با عمق متناسب با حداکثر عمق حضور ریشه‌های جانبی حفر و پراکنش ریشه‌ها در افق‌های مختلف دیواره‌ها برداشت شد. سپس مقاومت مکانیکی چند نمونه ریشه با دامنة قطری 3/0 تا 8/23 میلی‌متر با استفاده از دستگاه‌های ریشه‌کش درجا (در عرصه) و یونیورسال (در آزمایشگاه)، در هر دو فصل خزان (86 نمونه) و رویش (90 نمونه) اندازه‌گیری شد. از تلفیق داده‌های پراکنش و مقاومت مکانیکی ریشه‌ها، مقدار مسلح‌سازی حاصل از حضور ریشه‌ها در خاک با استفاده از دو مدل‌ Wu اصلاح‌شده و RBMw محاسبه شد.
یافته‌ها: نتایج پژوهش نشان داد که شاخص‌های تعداد ریشه و نسبت سطح ریشه به سطح خاک با افزایش عمق خاک به‌صورت تابع لگاریتمی کاهش یافتند و این شاخص‌ها در لایه‌های سطحی خاک بیشترین مقدار را داشتند. نتایج نشان داد که در هر دو روش اندازه‌گیری، بین قطر ریشه و نیروی کششی رابطۀ توانی مثبت و بین قطر ریشه و مقاومت کششی رابطۀ توانی منفی وجود دارد. مقدار میانگین±اشتباه معیار نیروی کششی ریشه در فصل‌های رویش و خزان به‌ترتیب 51/22±96/358 و 95/34±12/250 نیوتن و مقدار میانگین±اشتباه معیار مقاومت کششی ریشه در فصل‌های رویش و خزان برای دستگاه یونیورسال به‌ترتیب 69/0±23/12 و 82/0±54/18 مگاپاسکال بود. نتایج آنالیز کوواریانس حاکی از وجود اختلاف معنی‌دار در مقدار مقاومت کششی ریشۀ درختان بین فصل‌های مختلف و بیشتر بودن مقاومت کششی در خزان بود؛ ولی مقدار نیروی کششی تفاوت معنی‌داری بین فصل‌ها نداشت. به‌طور کلی نتایج هر دو مدل نشان داد که با افزایش عمق خاک، مقدار مسلح‌سازی خاک کاهش می‌یابد و بیشترین مقدار مسلح‌سازی خاک در لایه‌های سطحی و مطابق با تراکم ریشه‌ها رخ می‌دهد. میانگین مقدار مسلح‌سازی محاسبه‌شده با استفاده از مدل Wu اصلاح‌شده در فصل‌های خزان و رویش به‌ترتیب 52/62 و 29/45 و برای مدل RBMw به‌ترتیب 92/53 و 47/49 پاسکال محاسبه شد. نتایج آزمون رتبه‌ای علامت‌دار ویلکاکسون برای خروجی‌های مدل Wu حاکی از بیشتر بودن معنی‌دار مقدار مسلح‌سازی در فصل خزان و نتایج آزمون t جفتی حاکی از نبود اختلاف معنی‌دار در میانگین مسلح‌سازی ریشه بین دو فصل در مدل RBMw بود.
نتیجه‌گیری: نتایج پژوهش نشان داد که تغییرات فصلی بر مقاومت کششی ریشه‌های بلندمازو اثر معنی‌دار دارد، به‌طوری ‌که مقاومت کششی در فصل خزان بیشتر از فصل رویش بود، اما نیروی کششی بین دو فصل تفاوت معنی‌داری نداشت. همچنین با افزایش عمق خاک، نسبت سطح ریشه به سطح خاک (RAR) و در نتیجه مقدار مسلح‌سازی خاک در هر دو مدل کاهش یافت. مقایسۀ مدل‌های Wu اصلاح‌شده و RBMw نشان داد که هر دو مدل روند مشابهی از تغییرات مسلح‌سازی را ارائه کردند، اما مدل Wu اصلاح‌شده به تغییرات فصلی حساس‌تر بود و افزایش معنی‌دار مسلح‌سازی در فصل خزان را نشان داد، درحالی که مدل RBMw تفاوت معنی‌داری را بین دو فصل آشکار نکرد. این پژوهش با تلفیق داده‌های آزمون‌های کشش آزمایشگاهی و ریشه‌کش درجا نشان داد که انتخاب مدل می‌تواند بر ارزیابی اثرهای فصلی و برآورد ظرفیت مسلح‌سازی خاک تأثیرگذار باشد. بنابراین لحاظ تغییرات فصلی در مدل‌های تحلیل پایداری شیب می‌تواند به افزایش دقت طراحی پروژه‌های زیست‌مهندسی خاک و مدیریت پایدار دامنه‌ها کمک کند.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Seasonal Variations in Root Mechanical Properties and Root-Induced Soil Reinforcement in a 45-Year-Old Quercus castaneifolia C.A. Mey. Plantation

نویسندگان English

M Ramezani 1
E Abdi 2
A Deljouei 3
M Ghalandar 4
1 MS.c. of Forestry and Forest Economics, Faculty of Natural Resources, University College of Agriculture and Natural Resources, University of Tehran, Karaj, Iran.
2 Prof., Dept. of Forestry and Forest Economics, Faculty of Natural Resources, University College of Agriculture and Natural Resources, University of Tehran, Karaj, Iran.
3 Assistant Prof., University of Arkansas at Monticello, College of Forestry, Agriculture and Natural Resources, Monticello, Arkansas, United States.
4 Assistant Prof., Dept. of Mathematics and Statistics, Faculty of Basic Science and Engineering, Gonbad Kavous University, Golestan, Iran.
چکیده English

Introduction: Nature-based solutions, particularly the use of vegetation and soil bioengineering techniques, are widely recognized as effective approaches for controlling soil erosion and improving slope stability. Among the different components of vegetation, including the canopy, stem, and root system, roots play a particularly important role in slope stabilization by mechanically reinforcing the soil. Numerous factors influence the reinforcing capacity of root systems, among which seasonal variation has received relatively little attention. Therefore, this study aimed to investigate the effect of season on root mechanical properties and root-induced soil reinforcement in a 45-year-old oak (Quercus castaneifolia) plantation located in the Kheyrud Forest near Nowshahr, northern Iran. The study site was previously occupied by a degraded hornbeam (Carpinus betulus L.) stand that had been clear-cut and subsequently replanted with oak.
Materials and Methods: Four oak trees were randomly selected for sampling, with a mean diameter at breast height (DBH) of 16.5 cm and a mean height of 10.0 m. To investigate the lateral distribution of the root system, one soil profile was excavated downslope of each tree at a horizontal distance of 0.5 m from the stem. The excavation depth corresponded to the maximum depth of lateral root occurrence, and root distribution was recorded across different soil horizons on the exposed profile wall. Subsequently, the mechanical properties of roots with diameters ranging from 0.3 to 23.8 mm were determined using both an in situ pull-out device under field conditions and a universal testing machine under laboratory conditions during the autumn (86 samples) and growing (90 samples) seasons. Finally, root-induced soil reinforcement was estimated by integrating root distribution and mechanical property data using the modified Wu model and the RBMw model.
Results: The results showed that both root number and Root Area Ratio (RAR) decreased logarithmically with increasing soil depth, with the highest values occurring in the upper soil layers. A positive power-law relationship was observed between root diameter and tensile force for both the universal testing machine and the in situ pull-out device, whereas root tensile strength exhibited a negative power-law relationship with root diameter. The mean ± standard error of root tensile force during the growing and autumn seasons was 358.96 ± 22.51 N and 250.12 ± 34.95 N, respectively. The corresponding mean ± standard error of root tensile strength measured by the universal testing machine was 12.23 ± 0.69 MPa in the growing season and 18.54 ± 0.82 MPa in autumn. Analysis of covariance (ANCOVA) revealed significant seasonal differences in root tensile strength, with significantly higher values in autumn, whereas tensile force did not differ significantly between seasons. Both reinforcement models indicated that soil reinforcement decreased with increasing soil depth, with maximum reinforcement occurring in the upper soil layers where root density was greatest. The mean soil reinforcement estimated by the modified Wu model was 62.52 Pa and 45.29 Pa during the autumn and growing seasons, respectively, whereas the corresponding values estimated by the RBMw model were 53.92 Pa and 49.47 Pa. The Wilcoxon signed-rank test applied to the modified Wu model outputs showed significantly greater soil reinforcement in autumn, whereas the paired t-test applied to the RBMw model outputs indicated no significant seasonal difference in mean soil reinforcement.
Conclusion: Seasonal variation significantly influenced the tensile strength of Quercus castaneifolia roots, with higher tensile strength observed during the autumn season, whereas tensile force remained unaffected by season. In addition, increasing soil depth resulted in lower Root Area Ratio (RAR) values and consequently reduced soil reinforcement in both models. Although the modified Wu and RBMw models exhibited similar trends in predicting soil reinforcement, the modified Wu model was more sensitive to seasonal variation and detected significantly greater soil reinforcement during autumn, whereas the RBMw model did not reveal significant seasonal differences. By integrating laboratory tensile tests with in situ pull-out measurements, this study demonstrated that model selection can substantially influence the evaluation of seasonal effects on root reinforcement and soil reinforcement capacity. These findings highlight the importance of incorporating seasonal variation into slope stability analyses to improve the reliability of soil bioengineering design and the sustainable management of vegetated slopes.

کلیدواژه‌ها English

In-situ pull out device
Root area ratio
Soil bioengineering
Soil reinforcement
Universal testing machine.
Abdi, E., & Deljouei, A. (2019). Seasonal and spatial variability of root reinforcement in three pioneer species of the Hyrcanian forest. Austrian Journal of Forest Science, 3, 175-198.
Abdi, E. (2014). Effect of Oriental beech root reinforcement on slope stability (Hyrcanian Forest, Iran). Journal of Forest Science, 60(4), 166-173. https://doi.org/10.17221/93/2013-JFS
Abdi, E. (2018). Root tensile force and resistance of several tree and shrub species of Hyrcanian forest, Iran. Croatian Journal of Forest Engineering, 39(2), 255–270.
Abdi, E., Majnounian, B., Genet, M., & Rahimi, H. (2010). Quantifying the effects of root reinforcement of Persian Ironwood (Parrotia persica) on slope stability; a case study: Hillslope of Hyrcanian forests, northern Iran. Ecological Engineering, 36(10), 1409-1416. https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2010.06.020
Abdi, E., Pouya, H., Karimi, Z., Rostami, Z., & Ghalandar, M. (2026a). Investigating the feasibility of using Crataegus germanica (L.) Kuntze and. Crataegus monogyna (L.) Jacq. shrubs in bioengineering projects in Hyrcanian forests, Iran: opportunities and challenges. Iranian Journal of Forest and Poplar Research, 34(1), 82-97 (In Persian).
Abdi, E., Shams, S., Etemad, V., Hosseini, S.A., Sadeghi, S.M.M., Marcu, M.V., & Deljouei, A. (2026b). Early root development of Salix alba and Populus nigra cuttings in a controlled nursery experiment. Bosque (Valdivia), 47, e4712. https://doi.org/10.4206/bosque.e4712
Berenji Tehrani, F., Majnounian, B., Abdi, E., & Zahedi Amiri, G. (2015). Impacts of forest road on plant species diversity in a Hyrcanian forest, Iran. Croatian Journal of Forest Engineering, 36(1), 63-71.
Bischetti, G.B., Chiaradia, E.A., Simonato, T., Speziali, B., Vitali, B., Vullo, P., & Zocco, A. (2005). Root strength and root area of forest species in Lombardy (Northern Italy). Plant and Soil, 278, 11–22. https://doi.org/10.1007/s11104-005-0605-4
Coppin, N.J., & Richards, I.G. (1990). Use of vegetation in Civil Engineering. Butterworth publication, London. 272p.
Çorbacı, Ö.L., & Ertekin, M. (2012). Private plantation techniques. Landscape planning, (13), 319-352.
Dazio, E., Conedera, M., Schwarz, M. (2018). Impact of different chestnut coppice
managements on root reinforcement and shallow landslide susceptibility. Forest
Ecology and Management
, 417, 63–76.
Deljouei, A., Cislaghi, A., Abdi, E., Borz, S.A., Majnounian, B., & Hales, T.C. (2023). Implications of hornbeam and beech root systems on slope stability: From field and laboratory measurements to modelling methods. Plant and Soil, 483(1), 547-572. https://doi.org/10.1007/s11104-022-05764-z
Esmaiili, M., Abdi, E., & Hayati, E. (2026). Seasonal modulation of root mechanical properties in contrasting tree species under uniform environmental conditions. Trees, 40(3), 40-74. https://doi.org/10.1007/s00468-026-02782-7
Esmaiili, M., Abdi, E., Nieber, J.L., Jafary, M., & Majnounian, B. (2020). How roots of Picea abies and Fraxinus excelsior plantations contribute to soil strength and slope stability: evidence from a study case in the Hyrcanian Forest, Iran. Soil Research, 59(3), 287-298. https://doi.org/10.1071/SR20083
Freschet, G.T., Pagès, L., Iversen, C.M., Comas, L.H., Rewald, B., Roumet, C., Klimešová, J., Zadworny, M., Poorter, H., Postma, J.A., & Adams, T.S. (2021) A starting guide to root ecology: strengthening ecological concepts and standardising root classification, sampling, processing and trait measurements. New Phytologist, 232(3), 973-1122. https://doi.org/10.1111/nph.17572
Genet, M., Kokutse, N., Stokes, A., Fourcaud, T., Cai, X., Ji, J., & Mickovski, S. (2008). Root reinforcement in plantations of Cryptomeria japonica D. Don: effect of tree age and stand structure on slope stability. Forest ecology and Management, 256(8), 1517-1526.
Genet, M., Stokes, A., Salin, F., Mickovski, S.B., Fourcaud, T., Dumail, J.F., & Van Beek R. (2005). The influence of cellulose content on tensile strength of tree roots. Plant and Soil, 278, 1–9. https://doi.org/10.1007/s11104-005-8768-6
Giadrossich, F., Cohen, D., Schwarz, M., Seddaiu, G., Contrain, N., Lubino, M., ValdesRodriguez, O.A., & Niedd, M. (2016). Modelling bio-engineering traits of Jatropha
curcas L. Ecological Engineering, 89, 40–48.  https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2016.01.005
Gray, D.H., & Sotir, R.B. (1996). Biotechnical Soil Bioengineering Slope Stabilization: A
Practical guide for Erosion control. Wiley, New York, USA.
Ji, J., Kokutse, N., Genet, M., Fourcaud, T., & Zhang, Z. (2012). Effect of spatial variation of tree root characteristics on slope stability. A case study on Black Locust (Robinia pseudoacacia) and Arborvitae (Platycladus orientalis) stands on the Loess Plateau, China. Catena, 92, 139-154. https://doi.org/10.1016/j.catena.2011.12.008
Ji, K., Deng, C., Ye, L., Liu, Y., Liu, F., Mao, Z., & Zuo, J. (2025). Does root tensile strength exhibit seasonal variation? Evidence from two herbaceous species. Plants, 14(19), 2957. https://doi.org/10.3390/plants14192957
Kazemi, m., Abdi, E., Majnounian, B., & Yousefzadeh, h. (2014). The effect of season on resistance of Persian oak (Quercus persica) roots. Iranian Journal of Forest, 6(4), 435-444 (In Persian).
Majnounian, B., & Etter, H. (1992). Management plan revision for the district of Patom. Iranian Journal of Natural Resources, Special Issue, 104 p. (In Persian).
Mattia, C., Bischetti, G.B., & Gentile, F. (2005). Biotechnical characteristics of root system
of typical Mediterranean species. Plant and Soil, 278, 23–32.
Morgan, R.P., & Rickson, R.J. (2003). Slope Stabilization and Erosion Control: A Bioengineering Approach: A Bioengineering Approach. Taylor & Francis. 293p. https://doi.org/10.4324/9780203362136
Ngo, H.M., van Zadelhoff, F.B., Gasparini, I., Plaschy, J., Flepp, G., Dorren, L., & Schwarz, M. (2023). Analysis of Poplar’s (Populus nigra ita.) Root Systems for Quantifying Bio-Engineering Measures in New Zealand Pastoral Hill Country. Forests, 14(6), 1240. https://doi.org/10.3390/f14061240
Norris, J.E. (2005). Root reinforcement by hawthorn and oak roots on a highway cut-slope in Southern England. Plant and Soil, 278, 43-53. https://doi.org/10.1007/s11104-005-1301-0
Norris, J.E., Stokes, A., Mickovski, S.B., Cammeraat, E., Van Beek, R., Nicoll, B.C., &
Achim, A. (2008). Slope Stability and Erosion Control: Ecotechnological Solutions,
Springer, Netherlands, 288 pp.
Oladi, R., Aliverdikhani, R., & Abdi, E. (2024) Linking root xylem anatomy to tensile strength: insights from four broadleaved tree species in the Hyrcanian forests. Plant and Soil, 1-16. https://doi.org/10.1007/s11104-024-07148-x
Preti, F. (2013) Forest protection and protection forest: tree root degradation over hydrological shallow landslides triggering. Ecological Engineering, 61, 633–645. https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2012.11.009
Rossi, R., Picuno, P., Fagnano, M., & Amato, M. (2022). Soil reinforcement potential of cultivated cardoon (Cynara cardunculus L.): First data of root tensile strength and density, Catena, 211(1), 106-116. https://doi.org/10.1016/j.catena.2022.106016
Sadeghi, S.M.M., Van Stan, J.T., Pypker, T.G., Tamjidi, J., Friesen, J., & Farahnaklangroudi, M. (2018). Importance of transitional leaf states in canopy rainfall partitioning dynamics. European Journal of Forest Research, 137(1), 121-30. https://doi.org/10.1007/s10342-017-1098-4
Schwarz, M., Giadrossich, F., & Cohen, D. (2013). Modeling root reinforcement using a root-failure Weibull survival function. Hydrology and Earth System Sciences, 17(11), 4367-4377. https://doi.org/10.5194/hess-17-4367-2013
Vergani, C., Giadrossich, F., Buckley, P., Conedera, M., Pividori, M., Salbitano, F., & Schwarz, M. (2017). Root reinforcement dynamics of European coppice woodlands and their effect on shallow landslides: A review. Earth-science reviews, 167, 88-102. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2017.02.002
Vergani, C., Schwarz, M., Soldati, M., Corda, A., Giadrossich, F., Chiaradia, E.A.,
& Bassanelli, C. (2016). Root reinforcement dynamics in subalpine spruce forests
following timber harvest: a case study in Canton Schwyz, Switzerland. Catena, 143, 275–288. https://doi.org/10.1016/j.catena.2016.03.038
Zhao, C., Feng Z., & Liu, v. (2003). Study on one of ecological services of forest ecosystem in arid
region water resource conservation, Journal of Mountain Science, 21(2), 157-161.
دوره 18، شماره 2 - شماره پیاپی 2
تابستان 1405
صفحه 323-340

  • تاریخ دریافت 16 خرداد 1405
  • تاریخ بازنگری 24 تیر 1405
  • تاریخ پذیرش 25 مرداد 1405