DOI: https://doi.org/10.3389/ffgc.2025.1726336
تاريخ النشر: 2026-01-30
المؤلف: Mojtaba Azaryan وآخرون
الموضوع الرئيسي: ديناميات الكربون والنيتروجين في التربة
نظرة عامة
توفر هذه الدراسة تقييمًا بيئيًا شاملًا لغابات الزان الشرقي البكر (Fagus orientalis L.) في منطقة هيركان في شمال إيران، مع التركيز على ثلاثة مواقع بمساحة 1 هكتار واستخدام 62 مؤشرًا هيكليًا ووظيفيًا. تشير النتائج إلى أن هذه الغابات تظهر خصائص نموذجية للنظم البيئية الناضجة والمتأخرة، مثل مساحة القاعدة العالية، والأشجار ذات الأقطار الكبيرة، وهيمنة الأنواع تحت الشجرية المتسامحة مع الظل من يوروسيبيريا، مما يعكس الاستمرارية البيئية على المدى الطويل مع الحد الأدنى من الاضطراب. تسلط الدراسة الضوء على تخزين الكربون والنيتروجين الكبير في طبقات الدبال، بينما يتقيد توفر الفوسفور، كما يتضح من انخفاض الفوسفور الميكروبي والنشاط الإنزيمي.
تكشف التحليلات عن مسارين رئيسيين للمواد الغذائية: استمرارية الكربون والنيتروجين المرتبطة بشكل وثيق بين الدبال والميكروبات والتربة التي تدعم الخصوبة على المدى الطويل، ودورة الفوسفور المنفصلة جزئيًا المتأثرة بالعمليات الإنزيمية والجذرية الدقيقة. تؤسس الدراسة معايير كمية لهذه النظم البيئية النادرة، بما في ذلك نسب C:N للدبال تبلغ حوالي 31، ونسب C:N للتربة حوالي 7، ومستويات الفوسفور الميكروبي من 4-5 ملغ كغ⁻¹. تعمل هذه المعايير كنقاط مرجعية حاسمة لمديري الغابات وصانعي السياسات، مما يساعد في اكتشاف اختلالات المغذيات، وتدهور التربة، وتصميم استراتيجيات فعالة للحفاظ على التنوع البيولوجي وصحة النظام البيئي في مواجهة التغيرات البيئية.
مقدمة
تؤكد مقدمة ورقة البحث على الأهمية البيئية للغابات البكر، التي تتميز بهياكلها المعقدة وظروفها غير المضطربة. تعتبر هذه النظم البيئية أنظمة مرجعية حيوية لفهم صحة الغابات، وتخزين الكربون، والتنوع البيولوجي، والقدرة على التحمل، التي تشكلت بفعل الاضطرابات الطبيعية والعوامل غير الحيوية المحلية. تمثل غابات هيركان في شمال إيران، المعروفة بأنواعها القديمة من الأشجار ذات الأوراق العريضة المعتدلة، بقايا حيوية من هذه النظم البيئية، ومع ذلك تواجه تهديدات مستمرة من الأنشطة البشرية والتجزئة. على الرغم من قيمتها في الحفظ، تظل البيانات البيئية الشاملة حول هذه الغابات البكر نادرة، خاصة فيما يتعلق بالتقييمات المتكاملة لديناميكياتها الهيكلية والوظيفية.
تهدف الدراسة إلى سد هذه الفجوة المعرفية من خلال إجراء تقييم كمي متعدد المقاييس لمؤشرات البيئة في مواقع الزان الشرقي البكر. يفترض الباحثون أن مؤشرات البيئة ستظهر تباينًا منسقًا عبر طبقات الغابة المختلفة، مما يعكس تنظيمًا هيكليًا وظيفيًا مترابطًا. بالإضافة إلى ذلك، يسعون لاستكشاف العلاقات متعددة المتغيرات بين المؤشرات الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية لفهم أفضل للتنظيم الداخلي والقدرة على التحمل لهذه النظم البيئية القديمة. تركز الأسئلة الإرشادية على تباين هذه المؤشرات داخل وبين طبقات الغابة والعلاقات متعددة المتغيرات التي تسهم في استقرار غابات الزان البكر في هيركان.
النتائج
تم تنظيم قسم النتائج في الدراسة إلى خمسة أقسام فرعية تركز على طبقات بيئية متميزة: (1) هيكل الغابة، (2) تنوع طبقة الأعشاب، (3) كيمياء طبقة الدبال، (4) الخصائص الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية للتربة، و(5) خصائص الجذور الدقيقة. تم تقديم إحصائيات وصفية، بما في ذلك المتوسطات والأخطاء المعيارية، لكل مكون على مستوى قطعة 1 هكتار وعبر مجموعة البيانات المجمعة. من الجدير بالذكر أن الدراسة لم تتضمن مقارنات إحصائية بين القطع بسبب تصميمها، الذي لم يسهل تباينات المعالجة.
بالإضافة إلى ذلك، تم مناقشة التحليلات متعددة المتغيرات في القسم “3.6 العلاقات متعددة المتغيرات بين المتغيرات والمؤشرات البيئية.” تم إجراء تحليلات ارتباط بيرسون على 43 متغيرًا ومؤشرًا بيئيًا تشمل الدبال والتربة والأعشاب وقطع الجذور، بينما تم استبعاد معلمات الهيكل السقفي بسبب اختلافات في دقة العينة. تم تطبيق تحليل المكونات الرئيسية (PCA) لاحقًا على مجموعة من المتغيرات تحت الأرض، مستبعدًا مؤشرات تنوع الأعشاب، لتوضيح التدرجات البيئية السائدة الموجودة بين متغيرات ومؤشرات الدبال والتربة والجذور.
المناقشة
ركزت الدراسة على ثلاثة مواقع من الزان الشرقي البكر في غابة أسالم في محافظة جيلان، إيران، والتي تتميز بطبيعتها غير المضطربة وسلامتها الهيكلية. تصنف هذه المواقع كغابات بكر بسبب غياب الاضطرابات البشرية، وتقع في مناخ معتدل رطب مع ظروف جيولوجية وتربوية محددة تسهم في الحفاظ على تنوع بيولوجي غني. استخدمت الدراسة تصميم عينة هرمية متداخلة عبر ثلاثة قطع بمساحة 1 هكتار لتقييم مؤشرات بيئية متنوعة، بما في ذلك هيكل الغابة، تنوع الأعشاب، كيمياء الدبال، خصائص التربة، وخصائص الجذور الدقيقة.
تشير النتائج الرئيسية إلى أن هيكل الغابة يهيمن عليه الزان الشرقي، مع كثافة متوسطة للموقع تبلغ 192 ساقًا لكل هكتار ومتوسط مساحة قاعدة يبلغ 45.2 م² هكتار⁻¹. تتكون طبقة الأعشاب من 52 نوعًا، معظمها من الأعشاب، مع مؤشرات تنوع شانون تتراوح من 1.81 إلى 1.88 عبر القطع. كشفت كيمياء الدبال عن مستويات pH حمضية قليلاً ومحتويات مستقرة من الكربون والنيتروجين، بينما أشار تحليل التربة إلى نسيج مهيمن من الرمل مع ظروف حمضية قليلاً. أكدت تصميم الدراسة الملاحظ على التكرار البيئي بدلاً من المقارنة الإحصائية، مما يوفر نظرة شاملة على الديناميات البيئية داخل هذه النظم البيئية الفريدة من الغابات البكر.
القيود
تحدد هذه القسم قيود الدراسة على مواقع الزان الشرقي البكر في منطقة هيركان، مع التأكيد على حجم العينة المحدود المكون من ثلاثة قطع بمساحة 1 هكتار، مما يحد من الاستنتاجات الإقليمية الأوسع. على الرغم من التجانس الهيكلي لهذه القطع، إلا أنها تمثل نظمًا بيئية مرجعية نادرة، حيث تبقى أقل من 1% من غابات الزان في هيركان غير مضطربة. بالإضافة إلى ذلك، تم استنتاج بعض العمليات البيئية، مثل استعمار الفطريات الجذرية وديناميات المغذيات، من خلال مؤشرات مثل الكتلة الحيوية الميكروبية ونشاط الفوسفاتاز بدلاً من القياسات المباشرة.
تسلط الآثار الإدارية المستمدة من هذه البحث الضوء على الدور الحاسم لطبقة الدبال، التي تحتوي على كميات كبيرة من الكربون والنيتروجين، في دورة المغذيات. يمكن أن يؤثر الاضطراب على هذه الطبقة سلبًا على توفر الفوسفور والبوتاسيوم، مما يتطلب اتخاذ تدابير وقائية ضد الحرائق وإزالة الأوراق. علاوة على ذلك، تؤكد الدراسة على ضعف التربة المعدنية تجاه الانضغاط، داعية إلى تقييد استخدام الآلات. يجب دمج مؤشرات اختلال المغذيات الرئيسية، مثل مستويات الفوسفور الميكروبي وخصائص الجذور المحددة، في المراقبة طويلة الأجل والممارسات الحراجية لضمان استدامة هذه النظم البيئية.
DOI: https://doi.org/10.3389/ffgc.2025.1726336
Publication Date: 2026-01-30
Author(s): Mojtaba Azaryan et al.
Primary Topic: Soil Carbon and Nitrogen Dynamics
Overview
This research provides a comprehensive ecological assessment of virgin oriental beech (Fagus orientalis L.) forests in the Hyrcanian region of northern Iran, focusing on three 1-ha stands and utilizing 62 structural and functional indicators. The findings indicate that these forests exhibit characteristics typical of mature, late-successional ecosystems, such as high basal area, large-diameter trees, and a dominance of shade-tolerant Euro-Siberian understory species, reflecting long-term ecological continuity with minimal disturbance. The study highlights significant carbon and nitrogen storage in humus layers, while phosphorus availability is constrained, as evidenced by low microbial phosphorus and enzymatic activity.
The analysis reveals two primary nutrient pathways: a tightly coupled humus-microbial-soil carbon-nitrogen continuum that supports long-term fertility, and a partially decoupled phosphorus cycle influenced by enzymatic and fine root processes. The research establishes quantitative benchmarks for these rare ecosystems, including humus C:N ratios of approximately 31, soil C:N ratios around 7, and microbial phosphorus levels of 4-5 mg kg⁻¹. These benchmarks serve as critical reference points for forest managers and policymakers, aiding in the detection of nutrient imbalances, soil degradation, and the design of effective conservation and management strategies to sustain biodiversity and ecosystem health in the face of environmental changes.
Introduction
The introduction of the research paper emphasizes the ecological significance of virgin forests, which are characterized by their complex structures and undisturbed conditions. These ecosystems serve as vital reference systems for understanding forest health, carbon sequestration, biodiversity, and resilience, shaped by natural disturbances and local abiotic factors. The Hyrcanian forests of northern Iran, noted for their ancient temperate broadleaf species, represent a critical remnant of such ecosystems, yet they face ongoing threats from human activities and fragmentation. Despite their conservation value, comprehensive ecological data on these virgin forests remain scarce, particularly regarding integrated assessments of their structural and functional dynamics.
The study aims to fill this knowledge gap by conducting a quantitative, multiscale evaluation of ecological indicators in virgin Fagus orientalis (oriental beech) stands. The researchers hypothesize that ecological indicators will show coordinated variation across different forest layers, reflecting a coupled structural-functional organization. Additionally, they seek to explore multivariate relationships among physical, chemical, and biological indicators to better understand the internal regulation and resilience of these ancient ecosystems. The guiding questions focus on the variation of these indicators within and among forest layers and the multivariate relationships that contribute to the stability of Hyrcanian virgin beech forests.
Results
The results section of the study is structured into five subsections that focus on distinct ecological layers: (1) forest structure, (2) herbaceous layer diversity, (3) humus layer chemistry, (4) soil physical, chemical, and biological properties, and (5) fine-root traits. Descriptive statistics, including means and standard errors, are provided for each component at both the 1-ha plot level and across the aggregated dataset. Notably, the study did not include statistical comparisons among plots due to its design, which did not facilitate treatment contrasts.
Additionally, multivariate analyses are discussed in Section “3.6 Multivariate relationships among ecological variables and indicators.” Pearson correlation analyses were performed on 43 ecological variables and indicators spanning humus, soil, herbaceous, and root compartments, while canopy structural parameters were excluded due to differences in sampling resolution. Principal Component Analysis (PCA) was subsequently applied to a refined set of belowground variables, excluding herbaceous diversity indices, to elucidate the dominant ecological gradients present among humus, soil, and root variables and indicators.
Discussion
The study focused on three virgin F. orientalis stands in the Asalem Forest of Guilan Province, Iran, characterized by their undisturbed nature and structural integrity. These stands, classified as virgin forests due to the absence of anthropogenic disturbances, are situated in a humid temperate climate with specific geological and soil conditions conducive to maintaining rich biodiversity. The research employed a nested hierarchical sampling design across three 1-ha plots to assess various ecological indicators, including forest structure, herbaceous diversity, humus chemistry, soil properties, and fine root traits.
Key findings indicate that the forest structure is dominated by F. orientalis, with a mean stand density of 192 stems per hectare and a basal area averaging 45.2 m² ha⁻¹. The herbaceous layer comprised 52 species, predominantly forbs, with Shannon diversity indices ranging from 1.81 to 1.88 across plots. Humus chemistry revealed slightly acidic pH levels and stable carbon and nitrogen contents, while soil analysis indicated a sand-dominated texture with slightly acidic conditions. The study’s observational design emphasized ecological replication rather than statistical comparison, providing a comprehensive overview of the ecological dynamics within these unique virgin forest ecosystems.
Limitations
This section outlines the limitations of the study on virgin F. orientalis stands in the Hyrcanian region, emphasizing the restricted sample size of three 1-ha plots, which limits broader regional inferences. Despite the structural homogeneity of these plots, they represent rare reference ecosystems, as less than 1% of Hyrcanian beech forests remain undisturbed. Additionally, certain ecological processes, such as mycorrhizal colonization and nutrient dynamics, were inferred through proxies like microbial biomass and phosphatase activity rather than directly measured.
The management implications derived from this research highlight the critical role of the humus horizon, which contains significant carbon and nitrogen, in nutrient cycling. Disturbance to this layer could adversely affect phosphorus and potassium availability, necessitating protective measures against fire and litter removal. Furthermore, the study underscores the vulnerability of mineral soil to compaction, advocating for restricted machinery use. Key indicators of nutrient imbalance, such as microbial phosphorus levels and specific root traits, should be integrated into long-term monitoring and silvicultural practices to ensure the sustainability of these ecosystems.