Environmental Erosion Research

fa مدل‌سازی اثرات تغییر کاربری اراضی بر خدمات اکوسیستمی نگهداشت خاک (مطالعه موردی: حوضه آبخیز لواسانات) Modeling the Effects of Land Use Change on Soil Retention Ecosystem Services (Case Study: Lavasanat Watershed) مدلسازی و تحلیل زمانی و مکانی رخداد انواع مختلف فرسایش محیطی مستخرج از پایان‌نامه / رساله / طرح پژوهشی <div style="text-align: justify;"> خاک به‌عنوان یکی از ارکان سرمایه طبیعی، نقش مهمی در ارائه خدمات اکوسیستمی مانند کاهش خطر سیل، زیستگاه‌دهی، ترسیب کربن و پشتیبانی کشاورزی دارد. افزایش آگاهی جهانی نسبت به اهمیت این خدمات، حفاظت از خاک را به اولویت زیست‌محیطی تبدیل کرده است. تغییرات کاربری/پوشش اراضی از مهم‌ترین عوامل مؤثر بر خدمات اکوسیستمی، به‌ویژه نگهداشت خاک و حفظ رسوب است. این مطالعه با هدف پایش تغییرات کاربری/پوشش حوضه لواسانات طی سال‌های ۲۰۰۰ تا ۲۰۲۳ و ارزیابی تأثیر آن بر خدمات اکوسیستمی انجام شد. برای این منظور از تصاویر لندست، مدل InVEST-SDR و رگرسیون وزنی جغرافیایی (GWR) استفاده گردید؛ ورودی‌های مدل شامل نقشه‌های کاربری، فاکتورهای فرسایش خاک (R، K، C، P) و مدل رقومی ارتفاع (DEM) بود. نتایج نشان داد سطح اراضی سبز شامل مراتع، جنگل‌های سوزنی‌برگ، باغات و زمین‌های کشاورزی حدود ۱۵۲ کیلومتر مربع (4/15 درصد) کاهش یافته و به مناطق انسان‌ساخت تبدیل شده است. این تغییرات موجب افزایش ۱۴/۵۶ درصدی پتانسیل اتلاف خاک، کاهش ۳۲/۱۰ درصدی شاخص اجتناب از فرسایش و افزایش ۳۱/۲۳ درصدی شاخص اجتناب از حمل رسوب شده است. نتایج مدل GWR در ۲۰۰۰ و ۲۰۲۳ رابطه فضایی قوی بین درصد کاربری و خدمات اجتناب از فرسایش و حمل رسوب را نشان داد. در ۲۰۰۰، ضریب تعیین تنظیم‌شده برای اجتناب از فرسایش ۰٫۹۸ و برای اجتناب از حمل رسوب ۰٫۹۹ بود، با مجموع مربعات باقی‌مانده و انحراف معیار کمتر نسبت به ۲۰۲۳. در ۲۰۲۳، ضریب تعیین تنظیم‌شده برای اجتناب از فرسایش به ۰٫۹۹ افزایش و برای اجتناب از حمل رسوب به ۰٫۹۶ کاهش یافت، در حالی که مجموع مربعات باقی‌مانده و انحراف معیار افزایش یافت. کاهش AICc در ۲۰۲۳ بیانگر بهبود برازش مدل در شرایط همگن‌تر است. بر این اساس، حفاظت از پوشش‌های گیاهی، بهینه‌سازی مدیریت کاربری و اجرای سیاست‌های توسعه پایدار، به‌ویژه در مناطق آسیب‌پذیر و پرخطر فرسایش، برای حفظ خدمات اکوسیستمی و پایداری محیطی ضروری است. </div> 1- Introduction Soil is a vital component of natural capital, providing essential ecosystem services such as flood regulation, habitat provision, carbon sequestration, and agricultural production. As awareness of these services grows, soil retention has become a priority in environmental management. Key factors influencing soil retention and sediment control include changes in land use and land cover. This study aims to monitor land use and land cover changes in the Lavasanat watershed from 2000 to 2023 and assess their impact on soil-related ecosystem services. The Lavasanat watershed is crucial for managing water and soil resources due to its location upstream of the Latian Dam and its proximity to protected areas and national parks. 2- Materials and Methods  Landsat satellite imagery from 2000 and 2023 was used to assess changes in land use and land cover, as well as their impacts on ecosystem services. Land-use classification maps were created using eCognition Developer 9.01 and incorporated into the InVEST-SDR model. The inputs for this analysis included the rainfall factor (R), soil erodibility (K), vegetation cover (C), protective measures (P), a Digital Elevation Model (DEM), a biophysical table, and the land-use maps. Additionally, the Geographically Weighted Regression (GWR) model was applied to examine the spatial relationships between land-use changes and ecosystem service indices, specifically focusing on Avoiding Erosion and Avoiding Export. 3- Results The study revealed that green cover—including rangelands, coniferous forests, orchards, and agricultural lands—declined by approximately 152 square kilometers (15.4 percent), leading to a conversion of these areas into built-up land. This transformation resulted in a 56.14 percent increase in potential soil loss, a 10.32 percent reduction in the Avoid Erosion index, and a 23.31 percent rise in the Avoid Export index. The Geographically Weighted Regression (GWR) model demonstrated a strong spatial correlation between land use and ecosystem services related to Avoid Erosion and Avoid Export in both 2000 and 2023. In 2000, the Adjusted R² values were 0.98 for Avoid Erosion and 0.99 for Avoid Export, with lower residual sums of squares and standard deviations compared to 2023. Rangelands exhibited the highest Avoid Erosion and the lowest Avoid Export, while built-up areas showed the highest Avoid Export. In 2023, the Adjusted R² increased to 0.99 for Avoid Erosion but decreased to 0.96 for Avoid Export, accompanied by higher residual sums of squares and standard deviations. Orchards recorded the lowest Avoid Export, whereas coniferous forests had the highest. The decrease in the Akaike Information Criterion corrected (AICc) in 2023 indicated an enhanced model fit under more homogeneous spatial conditions. However, this improvement did not reflect ecological progress, as the reduction in natural cover and the expansion of built-up areas negatively impacted ecosystem performance in soil retention and erosion prevention. A comparison between 2000 and 2023 demonstrated a diminished capacity of the ecosystem to conserve soil, evidenced by a significant decline in Avoid Erosion and an increase in Avoid Export, driven by urban expansion and reduced vegetation cover. This underscores the urgent need for improved land-use management to mitigate soil degradation and preserve ecosystem functions. 4- Discussion & Conclusions The findings highlight the importance of protecting vegetation cover and improving land-use management in sensitive areas. Changes in the Lavasanat watershed have led to decreased vegetation cover and an increase in built-up areas, negatively impacting ecosystem services such as soil retention and sediment control. As a result, soil erosion and excess sediment accumulation have worsened, reducing the ecosystem's resilience. Enhancing land-use management in areas with high erosion potential is crucial. Additionally, integrating the InVEST model with advanced hydrological models like SWAT and RUSLE is recommended for more accurate simulations of soil erosion and ecosystem services. Future research should explore the effects of climate and socio-economic scenarios on soil erosion and land-use changes to better understand environmental change patterns and inform effective management strategies. These approaches can help improve planning for the preservation of soil and water resources, mitigating the harmful effects of climate change and human activities on ecosystems.   خدمات اکوسیستمی نگهداشت خاک, تغییرات کاربری/پوشش اراضی, مدل InVEST-SDR, مدل رگرسیونی GWR, حوضه آبخیز لواسانات. Soil retention ecosystem services, Land use/land cover (LULC) changes, InVEST-SDR model, Geographically Weighted Regression (GWR), Lavasanat Watershed. 59 80 http://magazine.hormozgan.ac.ir/browse.php?a_code=A-10-1032-2&slc_lang=fa&sid=1 Marzie Motesharei مرضیه متشرعی marziemotesharei@gmail.com 10031947532846009746 0009-0000-5414-4470 No Management, and HSE, Faculty of Environment, University of Tehran, Tehran, Iran. گروه برنامه‌ریزی، مدیریت محیطزیست و HSE ، دانشکده محیطزیست، دانشگاه تهران، تهران Bahram Malekmohammadi بهرام ملک محمدی malekb@ut.ac.ir 10031947532846009747 10031947532846009747 Yes Department of Environmental Planning, Management, and Education, Faculty of Environment, University of Tehran, Tehran, Iran. گروه آموزشی برنامه‌ریزی، مدیریت و آموزش محیطزیست، دانشکده محیطزیست، دانشگاه تهران، تهران Majid Ramezani mehrian مجید رمضانی مهریان mehrian@samt.ac.ir 10031947532846009748 10031947532846009748 No Department of Environmental Studies, The Institute for Research and Development in the Humanities (SAMT), Tehran, Iran. گروه تحقیق و توسعه علوم انسانی، پژوهشکده سمت، تهران