مدیریت جامع حوزه های آبخیز

مدیریت جامع حوزه های آبخیز

پویایی زمانی–مکانی هدررفت خاک، نگهداشت و تولید رسوب در چارچوب مدل خدمات اکوسیستمی در یک منطقه کوهستانی شمال ایران

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه مهندسی آبخیزداری، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تربیت مدرس، نور، ایران
2 گروه محیط زیست، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تربیت مدرس، نور، ایران
چکیده
چکیده مبسوط
مقدمه: هدررفت خاک و تولید رسوب به‌عنوان یکی از چالش‌های اصلی مدیریت آبخیزها، به‌ویژه در مناطق کوهستانی، علاوه بر کاهش حاصلخیزی و عملکرد اکوسیستم، کیفیت منابع آب و پایداری خدمات هیدرولوژیک را نیز تهدید می‌کند. در این میان، خدمات هیدرولوژیک آبخیزها مانند نگهداشت رسوب از اهمیت بالایی برخوردارند، زیرا با کنترل فرسایش خاک و کاهش انتقال رسوب به پایین‌دست، در ارتقای کیفیت منابع آبی مؤثرند. شرایط توپوگرافی، اقلیمی و انسانی مناطق کوهستانی شمال ایران، به‌ویژه جنگل‌های هیرکانی، این نواحی را مستعد تخریب منابع خاکی کرده و ضرورت پایش خدمات اکوسیستمی و تحلیل پویایی زمانی–مکانی نگهداشت رسوب برای ارزیابی تغییرات عملکرد اکوسیستم و اثربخشی اقدامات مدیریتی را افزایش داده است. در این راستا، مدل InVEST با ساختاری ساده، نیاز ورودی محدود و قابلیت تفسیر بالا ابزاری مؤثر برای تحلیل این خدمات در سطح حوزه‌های آبخیز است. این مدل با بهره‌گیری از نسبت تحویل رسوب و داده‌های مکانی، امکان بررسی تغییرات زمانی–مکانی فرسایش، تولید و نگهداشت رسوب را فراهم می‌آورد. با توجه به نیاز به مطالعات جامع در ایران، به‌ویژه جنگل‌های هیرکانی، پژوهش حاضر با هدف بررسی تغییرات زمانی–مکانی سه مؤلفه هدررفت خاک، نگهداشت و تولید رسوب طی یک دوره ۲۵ ساله در آبخیز کوهستانی تالار انجام شده است. همچنین تحلیل حساسیت عوامل ورودی برای شناسایی مهم‌ترین متغیرهای مؤثر بر نتایج نسبت تحویل رسوب مدنظر قرار گرفته است.
مواد و روش‌ها: در این پژوهش، مدل SDR از مجموعه ابزارهای InVEST برای محاسبه سالانه هدررفت خاک، نگهداشت رسوب و تولید رسوب به‌کار گرفته شد. میانگین هدررفت خاک با استفاده از معادله برآورد فرسایش خاک در مدل InVEST و بر مبنای عوامل اصلی شامل فرسایندگی باران، فرسایش‌پذیری خاک، پوشش گیاهی، مدیریت اراضی و توپوگرافی در سه دوره مطالعاتی محاسبه شد. سایر پارامترهای موردنیاز مانند شاخص اتصال رسوبی (IC0)، پارامتر K و حداکثر نسبت تحویل رسوب بر اساس اطلاعات و شناخت از ویژگی‌های منطقه‌ای تعیین شد. در ادامه، به‌منظور شناسایی متغیرهای کلیدی تأثیرگذار بر مدل نسبت تحویل رسوب، تحلیل حساسیت به روش تغییر هر متغیر در هر بار اجرای مدل بر پایه ضریب حساسیت نسبی انجام گرفت.
نتایج و بحث: براساس نتایج پژوهش، طی دوره ۲۵ ساله، هدررفت خاک از ۸۹۶۵۳۵ به ۷۵۸۹۸۱ تن، نگهداشت رسوب از 297/1 به 757/0 میلیون تن و تولید رسوب از ۱۱۳۶۴۳ به ۵۷۴۲۶ تن کاهش یافته است که عامل اصلی آن، افت ۲۸٫۸ درصدی فرسایندگی باران بوده است. بیشترین ظرفیت نگهداشت رسوب در کاربری‌های اراضی مربوط به مرتع (۴۱۵۹۷۸ تن) و کمترین مربوط به باغ (۳۶۷۶ تن) است. بیشترین تولید رسوب در کشاورزی دیم و مرتع و کمترین در جنگل و باغ مشاهده شد. نتایج تحلیل حساسیت نشان داد فرسایندگی باران با ضریب حساسیت نسبی 99/0، مهم‌ترین پارامتر مدل و مسئول بیش از ۴۷ درصد تغییرات خروجی است، براساس نتایج، در حالی‌که پارامتر K بر نگهداشت و تولید رسوب اثر دارد ولی بر هدررفت خاک تأثیر مستقیم ندارد. مدل InVEST نسبت به عوامل طبیعی مانند بارش حساس‌تر از متغیرهای مدیریتی است، که ضرورت تلفیق اطلاعات اقلیمی و مداخلات انسانی را در مدیریت نشان می‌دهد.
نتیجه‌گیری:یافته‌های پژوهش حاضر نشان می‌دهد مدل InVEST با قابلیت تحلیل مکانی و زمانی بالا، ابزاری مناسب برای ارزیابی خدمات هیدرولوژیک آبخیزها، به‌ویژه در مناطق کوهستانی است. کاهش هدررفت خاک، نگهداشت و تولید رسوب طی دوره مطالعه عمدتاً ناشی از کاهش فرسایندگی باران و تغییرات اقلیمی بوده است. پوشش گیاهی متراکم مانند جنگل و مرتع نقش کلیدی در حفظ رسوبات و کاهش فرسایش داشته، در حالی‌که کاربری‌های انسانی مانند کشاورزی سهم بیشتری در تولید رسوب دارند. تحلیل حساسیت مدل نشان داد توجه به عوامل طبیعی، به‌ویژه بارندگی، در مدیریت حوضه ضروری است. یافته‌ها می‌توانند برای شناسایی مناطق بحرانی، اولویت‌بندی کاربری‌های حساس، طراحی نظام پایش و تدوین سناریوهای مدیریت منابع خاک کاربرد داشته باشند. پیشنهاد می‌شود پژوهش‌های آتی با داده‌های بلندمدت، مدل‌های مکمل و تحلیل سناریویی در چارچوب تغییر اقلیم انجام شود.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

Ahmadi Mirghaed, F., & Souri, B. (2023). Contribution of land use, soil properties and topographic features for providing of ecosystem services. Ecological Engineering189, 106898. https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2023.106898
Asadolahi, Z., Salmanmahiny, A.R., & Mirkarimi, H. (2015). Modeling the Supply of Sediment Retention Ecosystem Service (Case study: Eastern Part of Gorgan-Rud Watershed). Environmental Erosion Researches, 5(3), 61-75. (In Persian)
Ashtari, N., & Nosrati, K. (2024). Identification of erosion-prone areas in connection with ranges of peak ground acceleration using fuzzy logic and entropy Shannon models in the Talar Drainage Basin, Mazandaran province. Quantitative Geomorphological Research, 13(3), 178-202. https://doi.org/10.22034/gmpj.2024.465763.1509   (In Persian)
Ayalew, D.A., Deumlich, D., Šarapatka, B., & Doktor, D. (2020). Quantifying the sensitivity of NDVI-based C factor estimation and potential soil erosion prediction using Spaceborne earth observation data. Remote Sensing, 12(7), 1136. https://doi.org/10.3390/rs12071136
Bai, Y., Ochuodho, T.O., & Yang, J. (2019). Impact of land use and climate change on water-related ecosystem services in Kentucky, USA. Ecological Indicators, 102, 51-64. https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2019.01.079
Barzali, M., Azimi, M., Abdolhosseini, M. & Lotfi, A. (2022). The Assessment of Rangeland Ecosystem Services in sediment retention via InVEST Model (Atrak Watershed, Golestan Province). Iranian Journal of Range and Desert Research, 29(1), 133-144. https://doi.org/10.22092/ijrdr.2022.126019   (In Persian)
Borselli, L., Cassi, P., & Torri, D. (2008). Prolegomena to sediment and flow connectivity in the landscape: A GIS and field numerical assessment. Catena, 75(3), 268-277. https://doi.org/10.1016/j.catena.2008.07.006
Bouguerra, S., & Jebari, S. (2017). Identification and prioritization of sub-watersheds for land and water management using InVEST SDR model: Rmel River basin, Tunisia. Arabian Journal of Geosciences, 10(15), 348. https://doi.org/10.1007/s12517-017-3104-z
Cerretelli, S., Poggio, L., Gimona, A., Yakob, G., Boke, S., Habte, M., Coull, M., Peressotti, A., & Black, H. (2018). Spatial assessment of land degradation through key ecosystem services: The role of globally available data. Science of the Total Environment, 628, 539-555. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.02.085
Chauhan, A., Roy, S., & Kundu, A. (2024). Assessing sediment dynamics and retention services in the vulnerable mountain ecosystem of the Indian Himalayas. Environmental Monitoring and Assessment, 196(10), 928. https://doi.org/10.1007/s10661-024-13073-4
Chen, W., Chi, G., & Li, J. (2019). The spatial association of ecosystem services with land use and land cover change at the county level in China, 1995–2015. Science of the Total Environment, 669, 459-470. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.03.139
Fryirs, K. (2013). (Dis) Connectivity in catchment sediment cascades: a fresh look at the sediment delivery problem. Earth Surface Processes and Landforms, 38(1), 30-46. https://doi.org/10.1002/esp.3242
Gashaw, T., Bantider, A., Zeleke, G., Alamirew, T., Jemberu, W., Worqlul, A.W., Dile, Y., Bewket, W., Meshesha, D., Adem, A., & Addisu, S. (2021). Evaluating InVEST model for estimating soil loss and sediment export in data scarce regions of the Abbay (Upper Blue Nile) Basin: Implications for land managers. Environmental Challenges, 5, 100381. https://doi.org/10.1016/j.envc.2021.100381
Ghorbanpour, D. (2004). Study and estimation of the rainfall erosivity factor (R) in Mazandaran Province. Master’s thesis of Watershed Management Engineering,. Faculty of Natural Resources, Sari University of Agricultural Sciences and Natural Resources. (In Persian)
Guesri, M., Megnounif, A., & Ghenim, A.N. (2020). Rainfall erosivity and sediment yield in Northeast Algeria: K’sob watershed case study. Arabian Journal of Geosciences, 13(7), 299. https://doi.org/10.1007/s12517-020-5276-1   
Gwal, S., Sena, D.R., Srivastava, P.K., & Srivastava, S.K. (2024). Identifying conservation priority areas of hydrological ecosystem service using hot and cold spot analysis at watershed scale. Remote Sensing, 16(18), 3409. https://doi.org/10.3390/rs16183409
Haji, K., Khaledi Darvishan, A., & Mostafazadeh, R. (2024). Soil erosion and sediment sourcing in the Hyrcanian forests, Northern Iran: An integration approach of the G2loss model and sediment fingerprinting technique. Modeling Earth Systems and Environment, 10(2), 1897-1914. https://doi.org/10.1007/s40808-023-01879-z   
Hamel, P., Chaplin-Kramer, R., Sim, S., & Mueller, C. (2015). A new approach to modeling the sediment retention service (InVEST 3.0): Case study of the Cape Fear catchment, North Carolina, USA. Science of the Total Environment, 524, 166-177. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2015.04.027   
He, C., & James, L.A. (2021). Watershed science: Linking hydrological science with sustainable management of river basins. Science China Earth Sciences, 64(5), 677-690. https://doi.org/10.1007/s11430-020-9723-4
Hopkins, K. G., Noe, G. B., Franco, F., Pindilli, E. J., Gordon, S., Metes, M. J., Claggett, P.R., Gellis, A.C.,  Hupp, C.R., & Hogan, D. M. (2018). A method to quantify and value floodplain sediment and nutrient retention ecosystem services. Journal of Environmental Management, 220, 65-76. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2018.05.013
Juan-Diego, E., Mendoza, A., Arganis-Juárez, M. L., & Berezowsky-Verduzco, M. (2025). Alteration of Catchments and Rivers, and the Effect on Floods: An Overview of Processes and Restoration Actions. Water, 17(8), 1177. https://doi.org/10.3390/w17081177
Kantharajan, G., Govindakrishnan, P.M., Singh, R.K., Natalia, E.C., Jones, S.K., Singh, A., Mohindra, V., Kumar, N., Rana, J.C., Jena, J.K., & Lal, K.K. (2022). Quantitative assessment of sediment delivery and retention in four watersheds in the Godavari River Basin, India, using InVEST model—an aquatic ecosystem services perspective. Environmental Science and Pollution Research, 30(11), 30371-30384. https://doi.org/10.1007/s11356-022-24013-5
Laflen, J.M., & Moldenhauer, W.C. (2003). The USLE story (Special Publication No. 1). World Association of Soil and Water Conservation (WASWC).
Luo, M., Cai, J., Zeng, Z., Zheng, Y., & Lin, T. (2024). Development and practices of nature-based solutions in China. Nature-Based Solutions, 5, 100109. https://doi.org/10.1016/j.nbsj.2023.100109
Marques, S. M., Campos, F.S., David, J., & Cabral, P. (2021). Modelling sediment retention services and soil erosion changes in Portugal: a spatio-temporal approach. ISPRS International Journal of Geo-Information, 10(4), 262. https://doi.org/10.3390/ijgi10040262
Mostafazadeh, R. , Mirzaei, S. , Esmali, A. and Zabihi, M. (2018). Sensitivity analysis of the flow hydrograph components due to changes in Clark's time-area model in Mohammad-Abad watershed, Gloestan Province. Iranian Journal of Soil and Water Research, 49(1), 91-99. https://doi.org/10.22059/ijswr.2018.221333.667580 (In Persian)
Mouida, A., & Alaa, N. (2011). Sensitivity analysis of TSEB model by one-factor-at-a-time in irrigated olive orchard. International Journal of Computer Science Issues (IJCSI), 8(3), 369.
Mperejekumana, P., Shen, L., Zhong, S., Muhirwa, F., Gaballah, M. S., & Nsigayehe, J. M. V. (2024). Integrating climate change adaptation into water-energy-food-environment nexus for sustainable development in East African Community. Journal of Cleaner Production, 434, 140026. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.140026
Namazi, M., Akbari, M., Memarian, H., Asadolahi, Z., & Parviyan, N. (2025). Evaluating the soil retention ecosystem service using the InVEST model in Northeastern Iran. Water and Soil Management and Modelling, https://doi.org/10.22098/mmws.2025.17666.1612 (In Persian)
Ouallali, A., Aassoumi, H., Moukhchane, M., Moumou, A., Houssni, M., Spalevic, V., & Keesstra, S. (2020). Sediment mobilization study on Cretaceous, Tertiary and Quaternary lithological formations of an external Rif catchment, Morocco. Hydrological Sciences Journal, 65(9), 1568-1582. https://doi.org/10.1080/02626667.2020.1755435
Pérez-Cutillas, P., Benabdelouahab, S., & Salhi, A. (2025). Mitigating Erosion and Enhancing Sediment Retention: A Modeling Approach to Sustainable Land Management. Earth Systems and Environment, 1-20. https://doi.org/10.1007/s41748-025-00660-9
Rehman, A., Farooq, M., Lee, D. J., & Siddique, K. H. (2022). Sustainable agricultural practices for food security and ecosystem services. Environmental Science and Pollution Research, 29(56), 84076-84095. https://doi.org/10.1007/s11356-022-23635-z
Renard, K.G., Foster, G.R., Weesies, G.A., McCool, D.K., & Yoder, D.C. (1997). Predicting Soil Erosion by Water: A Guide to Conservation Planning with the Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE). Washington DC: V703.
Roba, N.T., Kassa, A.K., Geleta, D.Y., & Harka, A.E. (2021). Streamflow and sediment yield estimation, and area prioritization for better conservation planning in the Dawe River watershed of the Wabi Shebelle River Basin, Ethiopia. Heliyon, 7(12). https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2021.e08509
Rojan, E., Dłużewski, M., & Krzemień, K. (2020). Sediment budget of high mountain stream channels in an arid zone (High Atlas mountains, Morocco). Catena, 190, 104530. https://doi.org/10.1016/j.catena.2020.104530
Rostami, N., & Rabbani, M. (2023). Zoning of soil erodibility and determination of affecting factors (Case study: Golan watershed, Ilam). Integrated Watershed Management, 3(3), 1-15. https://doi.org/10.22034/iwm.2023.2004738.1084 (In Persian)
Sadat, M., Salehi, E., & Amiri, M.J. (2023). Quantitative Modeling of Spatiotemporal Changes in Soil Erosion and Retention Potential and Sediment Production (Case Study: Lahijan-Chabaksar and Astana-Kochsefhan Watersheds). Journal of Environmental Studies, 48(4), 577-596. https://doi.org/10.22059/jes.2023.348202.1008357 (In Persian)
Saltelli, A., Ratto, M., Tarantola, S., & Campolongo, F. (2006). Sensitivity analysis practices: Strategies for model-based inference. Reliability engineering & system safety, 91(10-11), 1109-1125. https://doi.org/10.1016/j.ress.2005.11.014   
Sayed, K., Nazimuddin, R., Syakir, M.I., Yusuff, S., Johar, R., & Yaseen, Z.M. (2025). Shifting paradigm in water resources management: Public willingness to participate in watershed management of Batu Kurau, Perak, Malaysia. World Development Perspectives, 39, 100694. https://doi.org/10.1016/j.wdp.2025.100694
Sharp, R., Tallis, H.T., Ricketts, T., Guerry, A.D., Wood, S.A., Chaplin-Kramer, R., Nelson, E., Ennaanay, D., Wolny, S., Olwero, N., Vigerstol, K., Pennington, D., Mendoza, G., Aukema, J., Foster, J., Forrest, J., Cameron, D., Arkema, K., Lonsdorf, E., Kennedy, C., Verutes, G., Kim, C.K., Guannel, G., Papenfus, M., Toft, J., Marsik, M., Bernhardt, J., Griffin, R., Glowinski, K., Chaumont, N., Perelman, A., Lacayo, M. Mandle, L., Hamel, P., Vogl, A.L., Rogers, L., Bierbower, W., Denu, D., & Douglass, J. (2018). InVEST 3.5.0 User’s Guide. The Natural Capital Project, Stanford University, University of Minnesota, The Nature Conservancy, and World Wildlife Fund.
Solaimani, K., Shekarian, F., Abdoli, S. & Saberi, A. (2021). Prioritization of Talar watershed flood risk potential in GIS environment. Journal of Ecohydrology, 8(3), 749-762. https://doi.org/10.22059/ije.2021.324244.1509  (In Persian)
Talebikhiavi, H., Zabihi, M., & Mostafazadeh, R. (2017). Effects of land-use management scenarios on soil erosion rate using GIS and USLE model in Yamchi dam watershed, Ardabil. JWSS-Isfahan University of Technology, 21(2), 221-234. https://doi.org/10.18869/acadpub.jstnar.21.2.221   
Teh, S.H. (2011). Soil erosion modeling using RUSLE and GIS on Cameron Highlands, Malaysia for hydropower development (Doctoral dissertation).
Tiwari, P.C., & Joshi, B. (2012). Environmental changes and sustainable development of water resources in the Himalayan headwaters of India. Water resources management, 26(4), 883-907. https://doi.org/10.1007/s11269-011-9825-y
Turner, B., Devisscher, T., Chabaneix, N., Woroniecki, S., Messier, C., & Seddon, N. (2022). The role of nature-based solutions in supporting social-ecological resilience for climate change adaptation. Annual Review of Environment and Resources, 47(1), 123-148. https://doi.org/10.1146/annurev-environ-012220-010017
Vahabzadeh, G. and Ahamdi, S. (2022). Evaluating the Effect of Climate on the Weathering Process of Rocks (Case Study: The Telar Watershed). Journal of Geography and Environmental Hazards, 11(2), 249-263. https://doi.org/10.22067/geoeh.2021.70604.1064 (In Persian)
Vigerstol, K.L., & Aukema, J.E. (2011). A comparison of tools for modeling freshwater ecosystem services. Journal of environmental Management, 92(10), 2403-2409. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2011.06.040
Vigiak, O., Borselli, L., Newham, L.T.H., McInnes, J., & Roberts, A.M. (2012). Comparison of conceptual landscape metrics to define hillslope-scale sediment delivery ratio. Geomorphology, 138(1), 74-88. https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2011.08.026
Wang, G., Mang, S., Cai, H., Liu, S., Zhang, Z., Wang, L., & Innes, J. L. (2016). Integrated watershed management: evolution, development and emerging trends. Journal of Forestry Research, 27(5), 967-994. https://doi.org/10.1007/s11676-016-0293-3
Wischmeier, W.H., & Smith, D.D. (1978). Predicting Rainfall Erosion Losses: A Guide to Conservation Planning. U.S. Department of Agriculture, Agriculture Handbook. No. 537, pp. 58.
Xue, Z., Meng, X., & Liu, B. (2024). Spatiotemporal evolution and driving factors of ecosystem services in the upper Fenhe watershed, China. Ecological Indicators, 160, 111803. https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2024.111803   
Zabihi, M. , Sadeghi, S.H. & Vafakhah, M. (2015). Spatial analysis of rainfall erosivity index patterns at different time scales in Iran. Watershed Engineering and Management, 7(4), 442-457. https://doi.org/10.22092/ijwmse.2015.103089 (In Persian)
Zabihi, M., Moradi, H., Gholamalifard, M., Khaledi Darvishan, A., & Fürst, C. (2020). Landscape management through change processes monitoring in Iran. Sustainability, 12(5), 1753. https://doi.org/10.3390/su12051753
Zabihi, M., Moradi, H., Khaledi Darvishan, A., and Gholamalifard, M. (2025). Spatiotemporal variations analysis of water yield ecosystem service in the Hyrcanian region of northern Iran using the InVEST model. Water and Soil Management and Modelling, 5(3), 296-308. https://doi.org/10.22098/mmws.2025.1767.1614 (In Persian)
Zarandian, A., Mohammadyari, F., Mousazadeh, R., Ramezani Mehrian, M. & Badamfirooz, J. (2023). Evaluating the Role of Land Use in the Provision of Soil Retention Ecosystem Service (Case Study: Semnan Province). Environment and Interdisciplinary Development, 8(81), 107-119. https://doi.org/10.22034/envj.2024.432019.1331 (In Persian)

  • تاریخ دریافت 29 تیر 1404
  • تاریخ بازنگری 23 شهریور 1404
  • تاریخ پذیرش 28 شهریور 1404