زیست‌مهندسی در ایران: تجربه‌های گذشته و چشم‌انداز آینده

سابقه و هدف: تکنیک‌های زیست‌مهندسی با کارکرد‌های چندگانه و قابلیت استفاده در سطوح وسیع، مزایایی مانند پایداری بالا در طول زمان، قابلیت خودتجدیدی، خودترمیمی و سازگاری با تغییرات محیطی دارند. بیشتر پژوهش‌های زیست‌مهندسی بر سیستم ریشه و نقش آن در تثبیت و مسلح‌سازی خاک متمرکز بوده است، بنابراین برآورد ویژگی‌های زیست‌فنی (شامل پراکنش و مقاومت مکانیکی) ریشه‌ گونه‌های مختلف به‌عنوان ورودی مدل‌های برآورد مسلح‌سازی، اهمیت زیادی دارد.مواد و روش‌ها: برآورد مسلح‌سازی، نیازمند داده‌های پراکنش و مقاومت مکانیکی است. تاکنون در ایران برای بررسی پراکنش و تراکم سیستم ریشه، اغلب از روش‌های مخرب نمونه‌برداری دیواره پروفیل و هسته‌ خاک با تاکید بر برخی گونه‌های درختی (راش، ممرز، توسکا، افرا پلت، بلندمازو، انجیلی، ون، نوئل، بلوط ایرانی، بلوط وی‌ول،‌ زرد تاغ، بید، گز و حرا) استفاده شده است. پروفیل‌های مورد استفاده با ابعاد ثابت و در بالا یا پایین‌‌دست نمونه‌های روی شیب و یا در پایین‌دست و در دو یا سه فاصله افقی از تنه حفر شده‌اند. ویژگی‌های مکانیکی چندین هزار نمونه ریشه از گونه‌های درختی مذکور در رویشگاه‌ها (هیرکانی، زاگرس، بیابانی، کران‌آبی و کِشَندی) و تیمارهای متفاوت نیز در آزمایشگاه توسط دستگاه اینسترون استاندارد اندازه‌گیری و بررسی شده‌اند. نمونه‌های ریشه برای آزمایش مکانیکی، با حفر چاله‌هایی نزدیک به پایه‌ها استخراج و در فاصله‌ انتقال از عرصه به آزمایشگاه، ریشه‌ها برای جلوگیری از پوسیدگی قارچی و خشک‌شدن، با محلول الکل 15 درصد مرطوب و در دمای چهار درجه سانتی‌گراد تا زمان انجام آزمایش نگهداری می‌شوند. به‌تازگی فقط در یک پژوهش جدید در ایران، دستگاه ریشه‌کش درجا با توان 10 کیلونیوتن برای اندازه‌گیری مقاومت مکانیکی در جنگل‌های کشندی استفاده شده است.نتایج: با جمع‌بندی داده‌های به‌دست‌آمده، دامنه‌ میانگین نسبت سطح ریشه به سطح خاک به‌عنوان شاخص تراکم، بسیار وسیع و حدود 0.15 تا 2.6 درصد بوده است. عوامل زیادی مانند نوع گونه، تنوع درون گونه‌ای، مقدار شیب، وضعیت سلامت پایه‌ها، دخالت‌های انسانی، جهت اعمال تنش غالب، ارتفاع از سطح دریا و کلاسه‌ قطری تنه درختان، سن و فاصله‌های افقی و عمودی از تنه بر مقدار این شاخص، تاثیر معنی‌دار دارند. نتایج نشان داده‌اند که افزایش در شیب، قطر تنه، ارتفاع از سطح دریا و سن باعث افزایش تراکم ریشه می‌شود، درحالی‌که بیماری، آفات و گلازنی، کاهش تراکم ریشه‌ها را به‌دنبال دارد. مقدار مقاومت مکانیکی، تابع نوع گونه، آفات و بیماری‌ها، گلازنی،‌ شیب، باد غالب، فصل،‌ ارتفاع از سطح دریا، سن و کلاسه قطری تنه ‌است. به‌طورکلی، فصل خزان، افزایش قطر تنه و ارتفاع از سطح دریا و وجود تنش‌های شیب و باد غالب باعث افزایش مقاومت مکانیکی و بروز بیماری‌ و آفات و گلازنی باعث کاهش مقدار این پارامتر می‌شوند. در ایران، دامنه‌ میانگین نیروی کششی، مقاومت‌‌ کششی و مقاومت به بیرون کشیدن (فقط در یک پژوهش) به‌ترتیب حدود 17 تا 145 نیوتن، سه تا 45 مگاپاسکال و 1.19 کیلونیوتن گزارش شده‌اند.نتیجه‌گیری: باتوجه‌به موارد ذکرشده، اطلاعات مورد نیاز برای مدل‌های کلاسیک مسلح‌سازی در ایران حداقل درمورد برخی گونه‌ها وجود دارد، اما چنانچه هدف، استفاده از مدل‌های نوین باشد، بهتر است از دستگاه ریشه‌کش درجا برای برآورد ویژگی‌های مکانیکی استفاده شود. درضمن، درمورد معماری، پراکنش و تراکم ریشه‌ها نیز هنوز دو کمبود اطلاعاتی در پژوهش‌های زیست‌مهندسی ایران دیده می‌شود که شامل کسب داده‌ها از روش استخراج کامل درخت و در مرحله‌ بعد، توسعه‌ مدل‌های آلومتریک مختص زیست‌مهندسی هستند.

soil bioengineering in iran: lessons from the past and prospects for the future

background and objectives: soil bioengineering techniques offer multifaceted benefits and find applications across diverse landscapes. these approaches are notable for their high sustainability, adaptability to environmental changes, and effective reestablishment. while existing bioengineering studies focus largely on assessing root systems for soil stabilization, it remains pivotal to estimate key biotechnical characteristics, such as root distribution and mechanical strength, for various plant species. these insights serve as crucial inputs for developing robust soil reinforcement models.methodology: root system distribution and mechanical strength data are integral for accurate reinforcement estimation. in iran, conventional methods such as profile trenching and soil core sampling were employed for destructive sampling to investigate root system distribution and density. this focused on several tree species, including fagus orientalis lipsky, carpinus betulus l., alnus glutinosa (l.) gaertn., acer velutinum boiss., quercus castaneifolia c.a.mey., parrotia persica (dc.) c.a.mey., fraxinus excelsior l., picea abies (l.) h.karst., quercus brantii lindl., quercus libani oliv., haloxylon persicum bunge ex boiss. & buhse, salix alba l., tamarix hispida willd., and avicennia marina (forssk.) vierh. the mechanical properties of root samples from various species and habitats were investigated in a laboratory setting using a universal device. a novel in-situ pullout device with a 10-kilonewton capacity was employed in iran to measure mechanical resistance in mangrove forests.results: findings indicated that the mean root area ratio, a density indicator, ranged from 0.15% to 2.6%. various factors significantly influenced root area ratio values, including species, slope gradient, health status, human intervention, stress direction, altitude, trunk diameter, age, and horizontal and vertical distances from the trunk. mechanical resistance values were impacted by factors such as health status, pollarding, slope gradient, wind direction, season, altitude, age, and trunk diameter. generally, higher slope gradients, trunk diameters, elevations, and ages increased root density, while diseases, pests, and pollarding treatments decreased it. mechanical resistance values varied with factors such as season, trunk diameter, elevation, and the presence of stressors like slope and prevailing wind. in iran, mean tensile force, tensile strength, and pullout resistance ranged between 17-145 n, 3-45 mpa, and 1.19 kn, respectively.conclusion: iran possesses essential data for applying classical models of soil reinforcement across various plant species. to enhance models, the use of in-situ pullout apparatus for assessing root mechanical characteristics in their natural environment is recommended. despite the wealth of iranian bioengineering literature, knowledge gaps persist, particularly in root architecture, distribution, and density, with a need for data on whole tree extraction and the development of allometric models for soil bioengineering applications.