Linkages between carbon sequestration, soil fertility and hydrology in dryland Acacia senegal plantations of varying age in Sudan

Näytä kaikki kuvailutiedot

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-4259-7
Julkaisun nimi: Linkages between carbon sequestration, soil fertility and hydrology in dryland Acacia senegal plantations of varying age in Sudan
Tekijä: Abaker, Wafa
Muu tekijä: Helsingin yliopisto, maatalous-metsätieteellinen tiedekunta
Opinnäytteen taso: Väitöskirja (artikkeli)
Kuuluu julkaisusarjaan: TROPICAL FORESTRY REPORTS - URN:ISSN:0786-8170
Tiivistelmä: Drylands cover some 40% of the global land area and are extensively degraded, especially in Africa, as indicated by reduced soil organic matter (SOM) contents. The loss of SOM and associated ecosystem services (e.g. prevention of erosion, carbon sequestration, soil fertility and water retention), threaten the livelihood of local communities. Management practices that increase SOM contents, such as increasing tree cover, can be expected to increase soil fertility, infiltration and water retention. Plantations of Acacia senegal (L.) Willd. (now Senegalia senegal (L.) Britton.) of varying age (7 to 24 years) at two sites in Sudan were used to determine: (1) biomass carbon (C) and soil organic carbon (SOC) stocks and changes in the contribution of C3 (trees + herbs) plants to SOC; (2) SOC related changes in soil hydraulic properties, soil moisture (SM), and water balance of the plantations; and (3) soil nitrogen (N), phosphorus (P, total and available) and potassium (K, total and extractable) concentrations and N2 fixation. Adjacent grassland areas were used for comparison (control). Tree biomass C stocks were calculated using an allometric equation and C contents; ground vegetation C stocks by harvesting and C contents; and SOC stocks (0-50 cm) by determining C contents and bulk density. The contribution of C3 plants to SOC was estimated using a 𝛿13C mixing model, and soil and foliar δ15N values used to assess the importance of N2 fixation. Profiles of SM contents were measured using Time Domain Reflectometry (TDR). Daily water balances of the plantations and grasslands were computed using a simple water balance model and the SM measurements used for calibration purposes. Soil hydraulic parameter values were derived using pedotransfer functions based on measured soil texture and SOC contents. Soil contents of nutrients (N, total and available P, and total and extractable K) were determined from samples. Total biomass C stocks increased with plantation age. While most of this increase was due to the trees, the C stock of the ground vegetation also increased with plantation age and was greater in the oldest plantations than in the grasslands. This finding supports the hypothesis that trees facilitate the productivity of ground vegetation in semi-arid environments. Plantation SOC stocks (0-50 cm) also increased with plantation age and were greater than in the grasslands. The age-related increase in SOC stocks was derived not only from the acacia trees but also from the increase in ground vegetation biomass. Measured SM contents were higher in the grasslands than in the plantations, but increased with plantation age, reflecting the similar trend in SOC and related plant available water capacities. The modelling resulted in lower runoff from the plantations, increased infiltration, evapotranspiration, reduced drainage and lower SM, as shown by measurements. Greater SM contents in the grasslands were attributed to lower evapotranspiration and resulted in greater drainage fluxes compared to the plantations. The study highlighted the need for more empirical studies on the effect of tree density on water balance in semi-arid Africa. The concentrations of all studied nutrients were relatively low, but were correlated to SOC concentrations, highest in the topsoil (0–10 cm) and increased with plantation age – all indicating the importance of SOM to soil fertility. High acacia foliage δ15N values indicated that N2 fixation was not an important contributor to the soil N, although A. senegal is known to fix N2 in other sites, and therefore did not account for the accretion of soil N. Neither could reported N deposition loads account for the accretion of soil N. A possible explanation for the increasing soil N may be inputs of excreted N brought into the area by grazing and browsing animals. The research showed that A. senegal in the landscape not only increased C sequestration (increased biomass and soil C stocks), which would help in reducing global warming and mitigation of climate change, but also that the increases in SOM (SOC) contents associated with the trees increased SM and soil nutrient contents, thereby restoring the fertility of degraded land for the benefit of the local communities. Given the multiple benefits and ecosystem services gained by increasing SOC stocks, efforts to increase or at least maintain the cover of A. senegal in the Sahel should therefore be encouraged. This knowledge should be transferred to local communities in order to minimize further disturbance and encourage sustainable management of the landscape.Kuivat alueet kattavat 40% maapallon maapinta-alasta ja niiden maaperä on köyhtynyt, jos köyhtymisellä tarkoitetaan maaperän orgaanisen aineen osuuden vähenemistä, laajalti varsinkin Afrikassa. Orgaanisen aineen väheneminen ja siihen liittyvien ekosysteemipalvelujen (mm. eroosion esto, hiilen kertyminen, maan viljavuus ja veden pidätyskyky) heikkeneminen uhkaavat paikallisten ihmisten toimeentuloa. Sellaisen maankäytön, joka lisää maaperän orgaanista ainetta (esim. puiden lisääminen), voidaan olettaa parantavan maaperän viljavuutta sekä veden imeytymistä ja pidätystä maahan. Eri-ikäisiä (7-24 vuotiaita) Acacia senegal (L.) Willd. (nykyisin Senegalia senegal (L.) Britton.) viljelmiä kahdella alueella Sudanissa käytettiin tutkittaessa: (1) biomassan ja maaperän orgaanisen hiilen (C) varastoja ja muutoksia sekä C3-kasvien (puiden ja ruohovartisten) vaikutusta maaperän orgaaniseen hiileen; (2) maaperän orgaaniseen hiilen liittyviä muutoksia, maaperän vesitalouden kannalta keskeisiä ominaisuuksia ja viljelmän vesitaloutta; ja (3) maaperän typen (N), fosforin (kokonaisfosforin ja kasville saatavilla olevan fosforin) ja kaliumin (kokonaiskaliumin ja kasville saatavilla oleva kaliumin) pitoisuuksia ja N2 sidontaa. Läheisiä puuttomia ruohostoja käytettiin vertailualueina. Puuston biomassan C laskettiin allometristen yhtälöiden ja hiilipitoisuuksien perusteella, aluskasvillisuuden biomassan punnituksen ja hiilipitoisuuden perusteella ja maaperän orgaaninen C (0-50 cm syvyydellä) maanäytteiden hiilipitoisuuden ja maaperän tiheyden perusteella. C3-kasvien osuus maaperän orgaanisesta hiilestä 𝛿13C sekoitusmallin perusteella. Maaperän ja lehtien δ15N arvoja käytettiin arvioitaessa N2 sidonnan merkitystä. Maan kosteuden syvyysvaihtelu mitattiin Time Domain Reflectometry (TDR) tekniikalla. Vuorokautinen vesitase laskettiin mitatun kosteuden syvyysvaihtelun avulla kalibroidulla yksinkertaisella vesitasemallilla. Maaperän vesitalouden kannalta keskeiset ominaisuudet arvioitiin maaperän raekoostumuksen ja orgaanisen hiilen pitoisuuden avulla. Maaperän ravinnepitoisuudet (N, kokonaisfosfori, saatavilla oleva fosfori, kokonaiskalium ja saatavilla oleva kalium) mitattiin näytteistä. Biomassan C lisääntyi viljelmän iän myötä. Vaikkakin suurin osa tästä lisäyksestä johtui puista, myös aluskasvillisuuden C lisääntyi iän myötä ja oli vanhimmilla viljelmillä suurempi kuin läheisillä ruohostoilla. Tämä tulos tukee hypoteesia, jonka mukaan puut lisäävät aluskasvillisuuden tuottavuutta kuivilla alueilla. Viljelmien maaperän orgaanisen hiilen määrä (0-50 cm) lisääntyi viljelmän iän myötä ja oli suurempi kuin ruohostoilla. Iästä johtuva maaperän orgaanisen hiilen lisäys johtui akaasioiden lisäksi myös aluskasvillisuuden biomassasta. Mitatut maaperän kosteudet olivat suurempia ruohostoilla kuin viljelmillä, mutta lisääntyivät viljelmän iän myötä, heijastaen samankaltaista kehitystä maaperän orgaanisessa hiilessä ja siihen liittyvässä kasveille saatavilla olevan veden määrässä. Hydrologisen mallin perusteella viljelmiltä oli vähemmän pintavaluntaa, niillä oli lisääntynyt imeytyminen ja haihtuminen, pienentynyt syöttö pohjaveteen ja alhaisempi maaperän kosteus, kuten mittaustenkin perusteella. Ruohostojen suurempi maaperän kosteus johtui pienemmästä haihdunnasta ja johti suurempaan syöttöön pohjaveteen kuin viljelmillä. Tutkimus korosti empiiristen tutkimuksen tarvetta puiden tiheyden vaikutuksesta vesitaseisiin Afrikan kuivilla alueilla. Kaikkien tutkittujen ravinteiden pitoisuudet olivat suhteellisen alhaisia, mutta olivat korkeimmillaan vanhemmilla viljelmillä ja lähellä pintaa (0-10 cm syvyydellä), kuten maaperän orgaanisen hiilen pitoisuudetkin – viitaten maaperän orgaanisen hiilen merkitykseen maaperän viljavuudelle. Lehvästön korkeat δ15N arvot viittasivat siihen, että N2 sidonnan rooli ei ollut merkittävä maaperän typen kannalta, vaikka A. senegalin tiedetään sitovan typpeä ilmakehästä muilla alueilla, ja siten ei vaikuttanut typen kertymiseen maaperään. Raportoitu typpilaskeuma ei myöskään selitä typen kertymistä maaperään. Mahdollinen selitys typen lisääntymiselle liittyy laiduntavien eläinten tuomaan typpeen. Tutkimus osoitti, että A. senegal lisäsi hiiltä biomassassa ja maaperässä, mikä auttaa ilmastonmuutoksen hillinnässä, ja tämä myös lisää maaperän ravinteiden pitoisuuksia ja siten palauttaa köyhtyneen maaperän viljavuuden paikallisten ihmisten hyödyksi. Koska maaperän orgaanisen hiilen lisäys vahvistaa lukuisia ekosysteemipalveluja, yrityksiä lisätä tai ainakin ylläpitää A. senegal puiden kattamaa aluetta tulisi tukea. Tämä ymmärrys tulisi viedä paikallisille yhteisöille tulevien häiriöiden vähentämiseksi ja kestävän maankäytön kannustamiseksi.
URI: URN:ISBN:978-951-51-4259-7
http://hdl.handle.net/10138/234745
Päiväys: 2018-05-29
Avainsanat:
Tekijänoikeustiedot: Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.


Tiedostot

Latausmäärä yhteensä: Ladataan...

Tiedosto(t) Koko Formaatti Näytä
Linkages.pdf 836.6KB PDF Avaa tiedosto

Viite kuuluu kokoelmiin:

Näytä kaikki kuvailutiedot