یک روش جدید برای محاسبه تحمل از دست دادن خاک برای بهره وری پایدار خاک در زمین های کشاورزی

تحمل از دست دادن خاک (T) یک مفهوم گسترده برای ارزیابی خطرات احتمالی فرسایش خاک است و معیاری برای ارزیابی اثربخشی پروژه های حفاظت از خاک و آب است. با این حال ، رویکردهای فعلی برای محاسبه مقادیر t فاقد یک مبنای علمی قوی است و چند روش عملی نیز در دسترس است. بسیاری از سؤالات در مورد اینکه کدام پارامترها ، مانند دوره برنامه ریزی و خسارت جبران ، باید در محاسبه مقادیر T گنجانده شود. در اینجا ، ما یک روش جدید برای محاسبه تحمل از دست دادن خاک به عنوان تابعی از شاخص بهره وری خاک (SPI) برای زمین های کشاورزی ایجاد کردیم. برای دستیابی به بهره وری پایدار خاک در زمین های کشاورزی ، میزان فرسایش که منجر به مقادیر SPI پایین تر از مرز پایین بهره وری خاک (SPI0) قابل تحمل نیست و باید با اقدامات حفاظت از خاک کنترل شود. ما این روش را در حوضه رودخانه سرخ چین بر اساس بررسی پروفایل های معمولی خاک و بازده محصول به کار گرفتیم. نتایج ما نشان می دهد که مقادیر T در حوضه رودخانه سرخ از 0. 91 تا 10. 24 t هکتا ر-1 A-1 متغیر است. SPI0 و کمترین حد تحمل از دست دادن خاک (T1) به ترتیب 0. 4 و 0. 91 T هکتا ر-1 A-1 بود. در اینجا ، ما نشان می دهیم که ، هنگام تعیین مقادیر t در زمین های کشاورزی ، (1) میزان تشکیل خاک و خسارت جبران نباید موارد اصلی باشد ، (2) مفهوم "دوره برنامه ریزی" باید با "پایداری" جایگزین شود ، (3)هدف مدیریت T باید پایداری منابع خاک باشد و (4) مقادیر T زمین های کشاورزی با توجه به بهره وری خاک باید تعیین شود. ما یک روش معقول و امکان پذیر برای تعیین T برای زمین های کشاورزی ارائه می دهیم ، که به حفظ پایداری بهره وری خاک کمک می کند.

روی نسخه خطی کار می کنید؟

مقدمه

فرسایش به عنوان جدا شدن ، حرکت و رسوب خاک یا سنگ توسط آب ، باد ، یخ یا گرانش تعریف می شود (انجمن علوم خاک آمریکا 2008). به عنوان یک فرآیند مهم سطح زمین طبیعی ، فرسایش نقش اساسی در توسعه شکل های زمینی و مناظر دارد. از دیگر اثرات ، فرسایش سطح زمین (محاصره) را کاهش می دهد زیرا رسوب از ارتفاعات به محیط های دریایی حرکت می کند و از این طریق سیستم های زمینی و آبزی را پیوند می دهد (Renschler and Harbour 2002). در شرایط طبیعی ، فرسایش خاک و هوازدگی معمولاً متعادل است (Amundson et al. 2015). با این حال ، فعالیت های انسانی ، مانند کشاورزی ، آتش و چرا ، معمولاً میزان فرسایش را افزایش می دهد و منجر به فرسایش به اصطلاح شتاب می شود (Beniston et al. 2015 ؛ Berendse et al. 2015 ؛ Simonneaux et al. 2015). نشان داده شده است که کاربری اراضی باعث تقویت تلفات خاک می شود (Pacheco et al. 2014 ؛ Valle Junior et al. 2014). فرسایش تسریع شده (فرسایش برای کوتاه در این مقاله) می تواند محتوای مواد مغذی خاک را کاهش دهد ، ساختار خاک را تخریب کند و عمق ریشه دار مؤثر را کاهش دهد ، در نتیجه باعث کاهش بهره وری خاک می شود (Biggelaar et al. 2003 ؛ Tenberg et al. 2014 ؛ Valera et al. 2016)وادتخمین زده می شود که فرسایش تولید محصولات زراعی را با 192 میلیون تن غلات ، 6 میلیون تن سویا ، 3 میلیون تن نبض و 73 میلیون تن ریشه و غده در سراسر جهان کاهش می دهد (لال 2001). برای محافظت از خاک در برابر فرسایش بیش از حد و تخریب بهره وری خاک ، هایز و همکاران.(1941) مفهوم تحمل از دست دادن خاک (T) را پیشنهاد کرد. Wischmeier و Smith (1979) T را به عنوان "حداکثر سطح فرسایش خاک که باعث می شود سطح بالایی از بهره وری محصول از نظر اقتصادی و نامحدود پایدار باشد ، تعریف کردند. پس از آن ، بسیاری از محققان T را در زمینه های مختلف تعریف کرده اند (لی و همکاران 2009 ؛ Bui et al. 2011 ؛ Liu et al. 2015) ، اما تعریف ارائه شده توسط Wischmeier و Smith (1979) همچنان پرکاربردترین است (Schertz and Mark2006).

به عنوان معیار کنترل میزان فرسایش ، تعیین مقدار t یکی از مهمترین جنبه های پروژه های حفاظت از خاک و آب است. هایس و همکاران.(1941) مقدار t لوم سیلت فایت را تعیین کرد ، و آنها عمق خاک را به عنوان مرجع در نظر گرفتند. براونینگ و همکاران.(1947) بهره وری خاک را به عنوان مهمترین شاخص برای ایجاد مقادیر t شناسایی کرد و مقادیر T را بین 4. 50 و 13. 50 t هکتار - 1 A-1 برای 12 خاک در غرب ایالات متحده پیشنهاد کرد. در سال 1956 ، سرویس حفاظت از خاک آمریکا (SCS) کمیته ای را برای بحث در مورد موارد بالقوه در تعیین مقادیر T (عمق خاک ، از دست دادن مواد مغذی ، نگهداری از ساختارهای کنترل آب ، کنترل رسوبات و خندق ها ، کاهش عملکرد ، از دست دادن آب و و از دست دادن ، از بین برد. از دست دادن بذر). کمیته حد بالایی را برای مقدار t به 11. 2 t هکتا ر-1 A-1 تعیین کرد (پاسچال و همکاران 1956). SCS شش کارگاه منطقه ای را از سال 1961 تا 1962 برگزار کرد تا در مورد معیارهای تعیین مقادیر T بحث کند ، که منجر به ایجاد مقادیر T برای 12 سفارش خاک در هر منطقه از ایالات متحده شد (جانسون 1987). اگرچه این معیارها اصلاح شده است ، اما ساختار اساسی آنها امروزه در حال استفاده است (Schertz and Mark 2006). به دنبال این معیارها ، بسیاری از کشورها ، از جمله چین (وزارت منابع آب جمهوری خلق چین 1997) ، روسیه (Shtomrel و همکاران 1998) ، سایر کشورهای اروپایی (Verheijen و همکاران 2009) ، برزیل (لومباردی و برتونی 1975)، استرالیا (Bui و همکاران 2011) و هند (ماندال و Sharda 2013) ، مقادیر T مربوطه را تدوین کرده اند. امروزه ، مقادیر t به پایه و اساس قضاوت در مورد خطرات احتمالی فرسایش خاک و معیارهای ارزیابی پروژه های حفاظت از خاک و آب در سراسر جهان تبدیل شده اند (لی و همکاران 2009).

با وجود اهمیت T برای حفاظت از خاک ، معیارهای فعلی برای تعیین مقادیر T عمدتاً به تخصص افراد درگیر بستگی دارد. اجماعی که باید در مورد آن مورد توجه قرار گیرد و چگونه می توان مقدار T را تعیین کرد ، هنوز فاقد آن است (Schertz 1983 ؛ McCormack et al. 1982 ؛ Johnson 1987 ؛ Cook 1982 ؛ Li et al. 2009 ؛ Duan et al. 2012). ضخامت خاک ، سرعت تشکیل خاک و تأثیر فرسایش خاک بر بهره وری خاک به عنوان مهمترین عوامل تأثیرگذار در نظر گرفته می شود (لی و همکاران 2009 ؛ Bui et al. 2011). سه روش کمی کوچک مورد استفاده برای برآورد مقدار T بر اساس ضخامت خاک ، سرعت تشکیل خاک یا بهره وری خاک است. برخی از مطالعات نشان داد که بهره وری خاک کاهش نمی یابد مگر اینکه میزان از دست دادن خاک از میزان تشکیل خاک فراتر رود (Flach 1983). بر اساس این فرضیه ، الكساندر (1988a ، ب) روشی را برای تعیین T بر اساس تخمین نرخ تشکیل خاک تهیه كرد. با این حال ، دو شماره کاربرد این روش را محدود می کند. اول ، میزان تشکیل خاک در مواد والدین و افق A کاملاً متفاوت است ، و اندازه گیری میزان تشکیل خاک برای انواع مختلف خاک بسیار دشوار است (جانسون 1987 ؛ هال و همکاران 1985 ؛ هنکوک و همکاران 2015). دوم ، میزان تشکیل خاک کند است و فرسایش خاک از سرعت تشکیل خاک در تقریباً در تمام اراضی شیب دار محصول فراتر می رود و تخمین مقادیر t را غیرممکن می کند (Schertz 1983).

روش مبتنی بر بهره وری خاک توسط اسمیت و استامی (1965) تهیه شده است. فرض اصلی این است که ، برای حفظ پایداری منابع خاک ، بهره وری خاک (بیان شده توسط برخی از خصوصیات قابل اندازه گیری خاک) نباید در یک بازه زمانی معین پایین تر از یک مقدار بحرانی خاص باشد. معادله T ایده آل با توجه به این تعریف توسعه داده شد و شامل زمان ، مکان ، برخی از خواص قابل اندازه گیری خاک و میزان تشکیل خاک بود. با این حال ، این معادله نحوه ارزیابی بهره وری خاک یا ارزش بحرانی بهره وری خاک را مشخص نمی کند. پس از آن ، Skidmore (1982) با معرفی عمق خاک به عنوان یک پارامتر ، این روش را بهبود بخشید. پارامترهایی مانند حداقل عمق تحمل تحمل ، عمق بهینه خاک ، عمق خاک جریان و محدوده فوقانی و پایین تحمل از دست دادن خاک نیز درج شده است. با این حال ، رابطه بین عمق خاک و بهره وری خاک پیچیده است ، و ضخامت معادل خاک بین دو خاک به معنای این نیست که تولید خاک معادل است (Duan et al. 2009). علاوه بر این ، تعیین برخی از پارامترهای مدل مانند حداقل تحمل و عمق خاک بهینه دشوار است. در نتیجه ، پیشرفت بسیار کمی در استفاده از معادله عمق خاک Skidmore از زمان پیشنهاد شده است (Pretorius and Cooks 1989 ؛ Li et al. 2009).

در این میان ، بحث در مورد اینکه آیا خسارت جبران خسارت باید درج شود و نحوه تدوین دوره برنامه ریزی ادامه داشته باشد. از سال 1976 تا 1977 ، پیشگیری از خسارت جبران به عنوان عاملی در تعیین مقدار t توسط SCS به طور گسترده مورد بحث قرار گرفت (مک کورماک و همکاران 1982). Wischmeier و Smith (1979) استدلال كردند كه می توان حد خاصی را در مقادیر فرسایش خاک برای كنترل كیفیت آب تعیین كرد. Renschler و Harbour (2002) استدلال كردند كه تعیین T باید شامل خسارت جبران مربوط به فرسایش خاک باشد. Rittall and Swader (1979) تنظیم یک استاندارد T جداگانه برای اهداف کیفیت آب. SCS پیشنهاد کرد "تحمل تحویل خاک" برای اهداف جلوگیری از آسیب جبران خسارت (Flach 1983). با توجه به دوره برنامه ریزی ، شرتز (1983) اظهار داشت كه فاصله زمانی خاص و مشخص 500 یا حتی 1000 سال برای حفظ تولید عملی تر از استفاده از اصطلاحاتی مانند "در مدت زمان طولانی" هنگام تنظیم تحمل است. وادSparovek و Schnug (2001) گزارش دادند که 50 تا 100 سال برای تعیین مقادیر T معقول است. بنسون و همکاران.(1989) پیشنهاد کرد که کاهش 5 ٪ در بهره وری خاک بیش از 100 یا 500 سال قابل قبول است. Runge و همکاران.(1986) از 100 سال به عنوان دوره زمانی برای محاسبه مقادیر t استفاده کرد. برای محافظت از زمین های کشاورزی ، مورگان (1987) "نقطه محدود" را به عنوان نقطه ای تعریف کرد که در آن بازده زیر 75 ٪ از حداکثر عملکرد ممکن قرار می گیرد. مونتگومری (2007) به الگوی تاریخی معقول 500 تا چند هزار ساله زندگی برای تمدن های بزرگ در سراسر جهان اشاره کرد. مطالعات دیگر تحمل از دست دادن خاک را با استفاده از مفهوم "زمان زندگی خاک" ابراز کرده اند (Sparovek and Schnug 2001 ؛ Sparovek و همکاران 1997).

واضح است که رویکردهای جدیدی برای تعیین مقادیر T بر اساس شواهد علمی گسترده و قابلیت عمل مورد نیاز است. ما استدلال می‌کنیم که چالش‌های قبلی در ایجاد مقادیر T ناشی از فقدان اهداف مدیریت‌محور واضح است و این اهداف باید با عملکردهای خاک مرتبط باشند. انواع مختلف خاک ها خدمات متفاوتی را به جامعه ارائه می دهند (آموندسون و همکاران 2015؛ استاوی و همکاران 2016؛ فرانچسکونی و همکاران 2016). مهم ترین نقش خاک های زمین های کشاورزی بهره وری خاک است زیرا این خاک ها به طور مستقیم غذا را تامین می کنند (سانچز 2002؛ پیمنتل 2006؛ مافونگویا و همکاران 2016). خاک های زیر جنگل های طبیعی و مراتع خدمات اکولوژیکی مانند تنظیم آب و هوا، کنترل بیولوژیکی و تبدیل زیستی کربن آلی را ارائه می دهند. بنابراین، این نقش ها نیاز به تاکید دارند (ورهایجن و همکاران 2009؛ استاوی و همکاران 2016). تامین آب و انرژی پاک برای خاک در برخی مناطق خاص در ذخایر طبیعی، سرچشمه ها و مناطقی که ذخایر عمده معدنی دارند، اهمیت بیشتری دارد. برای این خاک ها، معرفی و کاهش آلودگی، ورودی رسوب و کیفیت آب باید هنگام تنظیم مقادیر T در نظر گرفته شود. بنابراین، اهداف و روش تنظیم T باید با توجه به خدمات و عملکرد خاک تعیین شود. در این مقاله، ما یک چارچوب جدید برای تعیین مقادیر T برای انواع مختلف خاک‌ها پیشنهاد می‌کنیم. ما روشی را برای محاسبه مقادیر T برای زمین های کشاورزی بر اساس مفهوم بهره وری خاک پایدار پیشنهاد می کنیم. در نهایت، ما این روش را در حوضه رودخانه قرمز چین به کار بردیم (شکل 1) و رابطه بین نرخ تشکیل خاک، آسیب جبران، زمان برنامه ریزی، و مقادیر T زمین کشاورزی را مورد بحث قرار دادیم.

طرحی از حوضه رودخانه سرخ، توزیع انواع خاک، و نقاط نمونه. دو تصویر نشان دهنده کشت شیب تند و فرسایش خاک در حوضه رودخانه سرخ است