Journal of Watershed Management Research

fa ارزیابی کمی خدمت اکوسیستمی نگه‎داشت رسوب با استفاده از مدل InVEST-SDR و ارزش‎ گذاری اقتصادی آن Quantitative Assessment of the Ecosystem Service of Sediment Retention using the InVEST-SDR Model and Its Economic Valuation فرسايش خاک و توليد رسوب فرسايش خاک و توليد رسوب پژوهشي Research <div style="text-align: justify;">چکیده مبسوط مقدمه و هدف: در سطح جهانی، تخریب زمین یک چالش جدی برای ظرفیت تولیدی منابع آب و زمین است. هدررفت خاک، آب، پوشش گیاهی، تنوع زیستی و همچنین کاهش مواد مغذی، همگی از نشانه&lrm;های تخریب زمین هستند. مهم&lrm;ترین نشانه تخریب زمین، تخریب خاک است. فرسایش خاک بر اثر آب و کاهش عناصر غذایی از مهم&lrm;ترین شاخص&lrm;های تخریب خاک است. فرسایش خاک و تولید رسوب تحت تأثیر روابط متقابل بین اقلیم، پوشش زمین و بهره&lrm;برداری از زمین است. با توجه به این پیچیدگی، مدل&lrm;هایی اغلب جهت پشتیبانی از مدیریت خاک و آب مانند ابزار ارزیابی آب و خاک و InVEST استفاده می&lrm;شوند. در پژوهش حاضر، از مدل نسبت تحویل رسوب InVEST جهت مدل&lrm;سازی رسوب استفاده شد. تحقیق در زمینه مدل&lrm;سازی رسوب و نگه&lrm;داشت خاک در استان خراسان جنوبی ضروری است زیرا این منطقه به&lrm;دلیل شرایط اقلیمی خشک و نیمه &lrm;خشک، با چالش&lrm;های جدی فرسایش خاک و کاهش کیفیت زمین مواجه است. انجام این تحقیقات می&lrm;تواند به شناسایی مناطق بحرانی و ارائه راهکارهای مدیریتی مؤثر برای حفظ منابع طبیعی و بهبود پایداری محیط &lrm;زیست منطقه کمک کند. برآورد ارزش اقتصادی کارکردها و خدمات منابع طبیعی کار مشکل و پیچیده‌ای است اما برای مدیریت اقتصادی ضروری است. لزوم تعیین ارزش خدمات اکوسیستمی و منابع زیستی در سال&lrm;های اخیر در جهان به قطعیت رسیده&lrm; است و در این&lrm;خصوص نیز تلاش&lrm;هایی شده &lrm;است. پژوهش حاضر با هدف ارزیابی کمی خدمت اکوسیستمی نگه&lrm;داشت رسوب با استفاده از مدل InVEST-SDR و ارزش&lrm;گذاری اقتصادی آن در حوزه&lrm;های آبخیز مرز شرقی کشور واقع در استان خراسان جنوبی انجام شده &lrm;است. هیچ تحقیقی در منطقه مورد مطالعه از مدل نسبت تحویل رسوب InVEST استفاده نکرده &lrm;است که نشان&lrm;دهنده یک شکاف تحقیقاتی قابل &lrm;توجه است. مواد و روش&lrm;ها: منطقه مورد مطالعه شامل 10 حوزه آبخیز در شرق استان خراسان جنوبی با مساحت 357 /008 /2 هکتار است. در این مطالعه، ابتدا از مدل&lrm; سازی هدررفت خاک و تولید رسوب استفاده گردید. مدل نسبت تحویل رسوب InVEST یک مدل مکانی است که در اندازه سلول مدل رقومی ارتفاع (30 متر) کار می&lrm;کند و برای تخمین هدررفت خاک، نگه&lrm;داشت و تولید رسوب سالانه در شمال &lrm;شرقی استان خراسان جنوبی به &lrm;کار برده شد. مدل ابتدا هدررفت سالانه خاک را با استفاده از الگوریتم هدررفت خاک محاسبه می&lrm;کند، سپس SDR را به&lrm;عنوان تابعی از اتصال هیدرولوژیکی حوضه تعیین می&lrm;کند و در نهایت ارزش&lrm;گذاری اقتصادی انجام می&lrm;شود. به&lrm;منظور ارزش&lrm;&lrm;گذاری اقتصادی نگه&lrm;داشت رسوب، از روش هزینه جایگزین یا بازسازی استفاده شده &lrm;است. به این&lrm;ترتیب در این پژوهش، ارزش اقتصادی حفظ حاصل&lrm;خیزی خاک سطحی مبتنی&lrm; بر سه عنصر ازت، فسفر و پتاسیم تعریف گردید. خاک سطحی، نخستین بخشی است که در معرض فرسایش خاک قرار دارد و میزان مواد غذایی خاک در این سطح به&lrm;شدت کاهش می&lrm;یابد. این کاهش موجب کم&lrm;شدن مواد آلی ازت (N)، فسفر (P)، پتاسیم (K) و سایر عناصر می&lrm;شود. یافته&lrm;ها: بیشترین میزان نگه&lrm;داشت رسوب در کاربری جنگل پرتراکم و پس از آن مرتع پرتراکم در منطقه بود. حوزه&lrm; های آبخیز اسفدان و شاهرخت بیشترین میزان تولید رسوب را به&lrm; ترتیب با بیش از 13 و 12 میلیون تن در بین سایر حوضه&lrm; ها نشان دادند. بیشترین میزان نگه&lrm;داشت رسوب در حوزه آبخیز اسفدان با 4/22626499 تن و کمترین میزان را حوزه آبخیز نمک&lrm;زار خواف با 6/1316208 تن نشان داد. میزان نگه&lrm;داشت خاک در سطح پیکسل در دامنه 0 تا 3/1058 تن به &lrm;دست&lrm; آمد. کمترین و بیشترین میزان هدررفت خاک از 7/4845857 تا 6/63854710 تن به &lrm;ترتیب برای حوضه &lrm;های نمک &lrm;زار خواف و اسفدان به &lrm;دست&lrm; آمدند. دامنه 0 تا 1489 تن بر پیکسل برای هدررفت خاک محاسبه شد. از سوی دیگر، مناطق بدون پوشش گیاهی (به&lrm;ویژه مناطق ساخته&lrm;شده) کمترین ظرفیت نگهداری رسوب و بیشترین بار رسوب را فراهم می&lrm;کنند. نتایج ارزش&lrm;گذاری اقتصادی در پژوهش حاضر نشان دادند که میانگین ارزش خدمت نگه&lrm;داشت رسوب در هر پیکسل (به مساحت 900 مترمربع)، معادل 48/2731 ریال بود که مقدار آن در هر هکتار، معادل 77/30349 ریال محاسبه گردید. نتیجه&lrm;گیری: حوزه&lrm;های آبخیز اسفدان و شاهرخت به&lrm; ترتیب با بیش از 13 و 12 میلیون تن، بیشترین میزان تولید رسوب را در میان سایر حوزه&lrm;ها داشتند. حوزه آبخیز نمک زار خواف با 737504 تن، کمترین میزان رسوب را نشان داد. میانگین شیب در حوضه آبخیز نمک زار خواف 1/6 درصد است که این حوضه کمترین میزان تولید رسوب و کمترین شیب را در میان سایر حوضه&lrm;ها دارد. در مقابل، میانگین شیب در حوضه اسفدان که بیشترین میزان تولید رسوب را دارد، 14/7 درصد است و پس از حوضه قائن، بالاترین میزان شیب را به خود اختصاص داده است. در سطح پیکسل، میزان رسوب در حوزه مرزی شرق کشور از 0 تا 747/6 تن متغیر بود. بیشترین میزان نگه&lrm;داشت رسوب در حوزه آبخیز اسفدان با 22626499 تن و کمترین میزان در حوزه آبخیز نمک زار خواف با 6/1316208 تن مشاهده شدند. کمترین و بیشترین میزان هدررفت خاک به ترتیب برای حوضه&lrm;های نمکزار خواف و اسفدان به&lrm; ترتیب از 4845857 تا 6385471 تن به &lrm;دست آمدند.</div> Extended Abstract Background: At a global level, land degradation is a serious challenge to the productive capacity of water and land resources. Soil erosion, water loss, vegetation cover reduction, biodiversity loss, and nutrient depletion are all signs of land degradation. The most significant indicator of land degradation is soil erosion, which, due to the water and nutrient loss, is one of the most important indicators of soil degradation. Soil erosion and sediment production are influenced by the interplay of climate, land cover, and land use. Due to this complexity, models are often used to support soil and water management, such as the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) and the Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs (InVEST). In the present study, the InVEST Sediment Delivery Ratio model was used for sediment modeling. Research on sediment modeling and soil retention in South Khorasan Province is essential due to the region's arid and semi-arid climate, which poses serious challenges of soil erosion and land degradation. Conducting these studies can help identify critical areas and provide effective management strategies to preserve natural resources and improve the region's environmental sustainability. Estimating the economic value of functions and services of natural resources is a challenging and complex task, but essential for economic management. In recent years, the necessity of determining the value of ecosystem services and biological resources has been firmly established worldwide, and efforts have been made in this regard as well. The present study aims to quantitatively assess the ecosystem service of sediment retention using the InVEST-SDR model and its economic valuation in the watersheds of the eastern border regions of the country, located in South Khorasan Province. No research in the study area has utilized the InVEST model, highlighting a significant research gap. Methods :The study area includes 10 watersheds in the eastern region of South Khorasan Province, covering an area of 2,008,357 hectares. Soil erosion and sediment yield modeling were initially conducted in this study. The InVEST Sediment Delivery Ratio (SDR) model, a spatial model operating at the resolution of the digital elevation model (30 m), was used to estimate soil erosion, retention, and sediment yield annually in the northeastern part of South Khorasan Province. The model first calculates the annual soil loss using the soil loss algorithm, then determines the SDR as a function of the hydrological connectivity of the basin, and finally performs the economic valuation. The cost replacement or restoration method was employed for the economic valuation of sediment retention. In this research, therefore, the economic value of preserving soil fertility was defined based on three elements: nitrogen (N), phosphorus (P), and potassium (K). Surface soil is the first part susceptible to soil erosion, and the nutrient content of the soil at this level decreases significantly. This decrease results in a reduction in organic nitrogen (N), phosphorus (P), potassium (K), and other elements. Results :The most substantial sediment retention is observed in dense forests, with dense pastures ranking second within the region. This aligns with the conclusions drawn in similar research. The Esfadan and Shahrokht watersheds showed the highest sediment production with more than 13 and 12 million tons, respectively, among other basins. The highest sediment retention rate was in the Esfadan watershed, with 22626499.4 tons, and the lowest was in the Khaf salt marsh watershed, with 1316208.6 tons. The soil retention rate at the pixel level was also obtained in the range of 0-1058.3 tons. The lowest and highest soil loss rates were also obtained from 4845857.7 to 63854710.6 tons for the Khaf and Esfadan salt marsh basins, respectively. The range of 0-1489 tons per pixel was calculated for soil loss. On the other hand, areas without vegetation cover (especially built-up areas) have the lowest sediment retention capacity and the highest sediment export. The results of economic valuation in the present study indicate that the average value of sediment retention service per pixel (900 m2) is equivalent to 2731.48 Iranian Rials, which amounts to 30349.77 Iranian Rials per hectare. Conclusion :The Esfadan and Shahrakht Watersheds, with over 13 and 12 million tons, respectively, had the highest sediment production among the other watersheds. The Namakzar Khaf Watershed showed the lowest sediment amount, with 737504 tons. The average slope in the Namakzar Khaf Watershed is 1.6%, which has the lowest sediment production and the lowest slope among the other watersheds. In contrast, the average slope in the Esfadan Watershed, which has the highest sediment production, is 14.7%, and it has the second-highest slope after the Ghaen Watershed. At the pixel level, sediment amounts in the eastern border watershed of the country ranged from 0 to 747.6 tons. The highest sediment retention was observed in the Esfadan Watershed, with 22626499 tons, and the lowest in the Namakzar Khaf Watershed, with 1316208.6 tons. The minimum and maximum soil loss rates were obtained for the Namakzar Khaf and Esfadan Watersheds, respectively, ranging from 4845857 to 6385471 tons.   حاصل‎ خیزی خاک, خراسان جنوبی, فرسایش, مدل‎ سازی, هزینه جایگزین Erosion, Mollenig, Replacement cost, Soil fertility, South Khorasan 114 126 http://jwmr.sanru.ac.ir/browse.php?a_code=A-10-1951-1&slc_lang=fa&sid=1 Sharif Joorabian Shooshtari شریف جورابیان شوشتری Joorabian@asnrukh.ac.ir 100319475328460015450 100319475328460015450 No Department of Nature Engineering, Agricultural Sciences and Natural Resources University of Khuzestan, Mollasani, Iran گروه مهندسی طبیعت، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی خوزستان، ملاثانی، ایران Fatemeh Jahanishakib فاطمه جهانی شکیب Jahanishakib@birjand.ac.ir 100319475328460015451 100319475328460015451 Yes Department of Environmental Sciences, Faculty of Natural Resources and Environment, University of Birjand, ‎Birjand, Iran گروه محیط زیست، دانشکده منابع طبیعی و محیط زیست، دانشگاه بیرجند، بیرجند، ایران Tahereh Ardakani طاهره اردکانی ardakani@ardakan.ac.ir 100319475328460015452 100319475328460015452 No Department of Environmental Sciences & Engineering, Faculty of Agriculture and Natural Resources, Ardakan ‎University, Ardakan, Iran گروه علوم و مهندسی محیط زیست، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه اردکان، اردکان، ایران