Effects of conversion of natural forest to plantations, traditional agroforestry and cultivated lands on carbon sequestration and maintenance of soil quality in Gambo district, Southern Ethiopia

Abstract

Clearing and conversion of natural forest to short rotation plantation, traditional agroforestry, crop and grazing land uses are rampant in Ethiopia. The unabated deforestation and the eventual reduction in soil productivity and desertification are threats of major importance in the country. Poor land cover, over grazing and mismanagement of agricultural lands strongly contribute to the loss of carbon pool, soil organic matter and many essential nutrients for plant growth that may lead to reduction in soil carbon sequestration. The land use types in Gambo district, Southern Ethiopia, in which this study was undertaken, are natural forest, short rotation plantations, crop lands and traditional agroforestry systems (scattered trees in farm lands, various types of home gardens). Little is known about the state of carbon and nitrogen stocks, soil quality (the soil physical and chemical properties, such as infiltration, soil moisture characteristics, bulk density, CEC, pH etc) for all of these land use types in the study area. However, an understanding of the various land use types and traditional management practices at local level is crucial, to identify systems suitable for sustainable land productivity and carbon sequestration. Therefore, this study was carried out to (i) investigate the changes (loss or gains) in the concentration and stocks of soil organic carbon (SOC), nitrogen (N) and their distribution along 1m depth in soils under the chronosequences of 12, 20, 30, 40 and 50 years after conversion of the natural forest to traditional agroforestry and cultivated lands (ii) assess the effect of conversion of the pristine vegetation to short rotation plantations on the state of SOC, N and soil bulk density (iii) investigate the litter production and “in situ” decomposition rate and residence time of the detritus material of the commonly planted “broad leaved” Eucalyptus and coniferous short rotation plantation species and (iv) evaluate the effect of plantation species on key soil chemical and physical properties (e.g. bulk density (BD) pore volume, moisture retention and infiltration) and thus on soil quality in Gambo district, Southern Ethiopia. Soil profile samples were collected at 10, 20, 40, 60, and 100 cm depth intervals and the SOC, N and BD were assessed. Biomass of trees was determined by non destructive method, while that of bushes, shrubs and herbs was by destructive methods. The production of litter and the subsequent decomposition rate were studied on broad leaved (Eucalyptus globulus, Eucalyptus camaldulensis, Eucalyptus saligna) and coniferous species (Juniperus procera, Cupressus lusitanica, and Pinus patula) and compared with leaf litter fall from the adjacent natural forest. The litter fall was recorded by litter traps and the decomposition rate was studied by nylon net bag technique. The results showed that the greater proportion of SOC and N was concentrated in 0 to 20 cm depth and that their concentration in agroforestry (AF) and farm (F) land uses was significantly lower than that in the natural forest (NF). Soils in traditional agroforestry land use showed a trend of higher SOC stocks in all chronosequences compared with those in the corresponding cultivated lands. But these differences apart from few exceptions were not statistically significant. The loss of SOC stock under the chronosequence of 12 to 50 years of AF and F land uses ranged from 2.8 to 9.9 kg m-2 or 12 to 43 % of the stock under the natural forest. The rate of SOC loss under AF12 was 0.62 kg m-2 yr-1 and that under AF50 was 0.09 kg m-2 yr-1. The corresponding values for farm land were 0.66 and 0.13 kg m-2 yr-1. The rate of N loss also declined with time under both land uses, for example, from 0.028 kg m-2 yr-1 for AF12 to 0.001 kg m-2 yr-1 for AF50. Soils under Juniperus procera showed higher SOC and N in 0-10 cm depths than the other plantations but were only significantly different from that in E.globulus. The percent loss of SOC of soils in plantations established on cultivated lands ranged from 47 % under P. patuala to 66 % under E.globulus compared to that in the natural forest. The corresponding percent loss of SOC in plantations established on primary forest land ranged from 33 % in J.procera to 45 % in C.lusitanica in 22-29 years time. The SOC loses of similar depth in traditional agroforestry and farm lands of age chronosequences ranged from 49 % in AF40 to 69 % in F50. As compared to F50, the net gain of SOC in plantations established on cultivated lands was 22 % in Pinus patula 9 % in E.camaldulensis and 2 % in E.globulus. No evidence of significant difference on SOC and N distribution among plantations was observed below 10 cm depth with few exceptions. The soils under plantations showed 133.62 to 213.73 Mg ha-1 or 59.1 to 94.5 % SOC, 230.4 to 497.3 Mg ha-1 or 6.9 to 14.9 % total biomass carbon (TBC) and 420.37 to 672.80 Mg ha-1 or 12.5 to 20.0 % C-pool of that under the natural forest. Despite the differences are non significant, the N stock under Juniperus procera was the highest, while the lowest stock was under Eucalyptus globulus and Cupressus lusitanica. Litter production under broad leaved plantation species and natural forest (ranging from 8.7 to 11.5 Mg ha-1 yr-1) was significantly higher (P<0.05) than that under coniferous species (ranging from 4.4 to 6.0 Mg ha-1 yr-1). The average concentration of C and N in fresh matured leaves (fully expanded but before leaf senescence) was higher than in litter fall, implying that both C and N were either sorbed in the plant system or lost during the litter fall period and these losses varied from 2.9 to 22.3 % for C and 11.8 to 53 % for N. The data on decomposition study showed that the residual litter mass declined with time for all species despite that the weight loss was variable at the different times of the study period. The amount of N which potentially returned to the soil through the litter fall was higher in natural Forest, Juniperus procera and Cupressus lusitanica than in Eucalyptus saligna, Eucalyptus camaldulensis Eucalyptus globulus and Pinus patula. The annual dry matter decay constant (k) varied from 0.07 month-1 in Pinus patula to 0.12 month-1 in Eucalyptus saligna. The half-time (t0.5) decay ranged from 6.0 for Eucalyptus saligna to 9.7 months for Pinus patula. The results suggest that the decomposition rate in Pinus patula was relatively lower than the other species and the litter production under broad leaved Eucalyptus was comparatively higher to that in coniferous species. No significant difference was observed on air volume, water volume (% at -10 kPa matric potential), or available water under plantation species. However, significantly higher BD and significantly lower pore volume and infiltration rate were observed under plantations established on cultivated lands than those on forest soils. Water volume (% at -1500 kPa matric potential) in soils under Juniperus procera and natural forest was significantly higher than in those of the other plantations. Exchangeable cations decreased with depth with the exception of Ca2+ under E.globulus and E. camaldulensis that showed the opposite trend. The concentrations of exchangeable Ca2+ and Mg2+ under plantations were lower, and that of K+ was higher than that under the natural forest. The soil in plantations on previously cultivated lands had soil quality index below the base line value, while those established on undisturbed forest soil, with the exception of E. saligna, were above that value. Despite the differences of SOC stocks among agroforestry and farm lands are negligible, the obtained results indicate that traditional agroforestry systems has a potential of sequestering v more SOC stock provided that better management is practiced and trees with proven multipurpose functions are integrated in all agricultural landscapes. The higher litter fall under broad leaved plantation suggest that the input for C sequestration and nutrient recycling in the soil is high under Eucalyptus species and this potential can be exploited to, restore, maintain and sequester SOC given that the rotation period is prolonged. In general, natural forest should be protected from further conversion to other land uses to maintain healthy ecosystem functions. Nevertheless, plantations can be considered over farm lands as good option for sequestration of C and N when mitigation of the increasing atmospheric CO2 in combination with the sustenance of land productivity is the main quest of land management.

Avskoging og omlegging av naturlig vegetasjon til andre dyrkingsformål fører til ødeleggelse av jordarealer i Etiopia. Hogst og omlegging fra skog til plantasjer med korte vekstomløp, tradisjonell agroforestry, jordbruk med beiting og intensive plantedyrking skjer mer og mer i Etiopia. Avskoging, reduksjon i jordas dyrkingspotensiale og forørkning er vesentlige trusler i landet. Tynt plantedekke, overbeiting og dårlig jordbruksdrift bidrar sterkt til tap av karbon, reduksjon i innhold av organisk materiale og tap av flere viktige plantenæringsstoffer. Arealbruken i Gambo distrikt, Sør-Etiopia hvor denne studien ble utført, er naturlig skog, plantasjer med kort vekstomløp, jordbruk og agroforestry (dyrking mellom etablerte tre som står igjen på dyrka arealet samt ulike typer småskala hagebruk). Det er lite kunnskap om utvikling av karbon- og nitrogenhusholdningen, jordkvaliteten (fysiske og kjemiske egenskaper som infiltrasjon, jordas fuktighetskarakteristikk, jordtetthet, CEC, pH osv) for alle typer dyrkingsformål i undersøkelsesområdet. Ikke desto mindre er kunnskap om de ulike dyrkingssystemene og tradisjonell jordarbeidingspraksis på lokalnivå avgjørende for å kunne identifisere bærekraftige systemer for produktivitet og karbonlagring. Denne studien er utført for å (i) undersøke endringene (reduksjon eller økning) i konsentrasjon og lagring av organisk karbon i jord (SOC-soil organic carbon) og nitrogen (N) og fordeling av disse på 1 m dybde i perioder på 12, 20, 30, 40 og 50 år etter omlegging fra opprinnelig skog til tradisjonell agroforestry og dyrket jord under datidens bønders praksis for bruk av planterester (ii) beregne effekten av omlegging fra opprinnelig vegetasjon til plantedyrking i korte omløp på tilstanden til SOC, N og jordtetthet (iii) undersøke strøproduksjon og “in-situ” nedbrytningshastighet og varighet av nedbrytingsmateriale fra vanlige plantede “løvtrær” eukalyptus, bartrær og arter fra korte vekstomløp og (iv) undersøke effekten av kulturvekster på viktige jordkjemiske og –fysiske egenskaper (f. eks. jordtetthet, porevolum, fuktighetskarakteristikk og infiltrasjon) og da også jordkvaliteten i Gambo District i det sørlige Etiopia. Det ble tatt ut jordprøver fra 10, 20, 40, 60, og 100 cm dybdeintervaller fra 1 m dype jordprofiler for alle dyrkingssystemer, og total karbon (TC), SOC, TN og jordtetthet ble bestemt. Biomassen til trær ble bestemt med ikke-destruktive metoder, mens biomasse til busker, kratt og urter ble bestemt med destruktive metoder. Produksjon av strø og påfølgende nedbrytningshastighet ble undersøkt for løvtrær (Eucalyptus globulus, Eucalyptus camaldulensis, Eucalyptus saligna) og bartreartene (Juniperus procera, Cupressus lusitanica, Pinus patula) og sammenlignet med strø fra den tilstøtende naturlige skogen. Strøproduksjonen ble registrert ved hjelp av strøfeller, mens nedbrytingshastigheten ble undersøkt med nylonnettpose-teknikk. Resultatene viste at den største delen av SOC og N var konsentrert i 0-20 cm dybde, og at konsentrasjonen av disse var signifikant lavere i agroforestry og på dyrkede arealer (jordbruk) enn under den naturlige skogen. Jord som har vært i tradisjonell agroforestry-bruk viste gjennomgående høyere SOC i alle periodene sammenlignet med tilsvarende dyrkede arealer. Tap av SOC-lagre i periodene 12 til 50 år med agroforestry (AF) og jordbruk (F) varierte fra 2,8 til 9,9 kg m-2 eller 12 til 43 % av lagrene under naturlig skog (NF). Hastigheten på SOC-tap under AF12 var 0,62 kg m-2 år-1 og under AF50 0,09 kg m-2 år-1. De tilsvarende verdiene fra dyrkede arealer var 0,66 og 0,13 kg m-2 år-1. Hastigheten for N-tap viii gikk også ned over tid for begge dyrkingssystemer, for eksempel, fra 0,028 kg m-2 år-1 for AF12 til 0,001 kg m-2 år-1 for AF50. Jord under Juniperus procera akkumulerte mer organisk karbon og nitrogen i alle dybdene enn under andre plantebestand, men var bare signifikant forskjellig fra E. globulus. Tap I present av SOC I jord under plantasje etablert på dyrka areal varierte fra 47 % for P. patula til 66 % for E. globulus sammenlignet med naturlig skog. Korresponderende tap av SOC under plantasje etablert på areal fra naturlig skog varierte fra 33 % for J. procera til 45 % for C. lusitanica over en periode av 22-29 år. For tilsvarende dybde varierte tapet av SOC under tradisjonell agroforestry og på dyrka jord over tid fra 49 % for AF40 til 69 % for F50. Sammenlignet med F50 så var netto økning i SOC under plantasje etablert på tidligere dyrka jord 22 % for Pinus patula, 9 % i E. camaldulensis og 2 % i E. globulus. Med få unntak så ble det ikke påvist signifikant forskjell i SOC og N distribusjon mellom plantebestander i dybder under 10 cm. Jord under plantasje viste 133.62 til 213.73 Mg ha-1 eller 59,1 til 94,5 % SOC, 230,4 to 497,3 Mg ha-1 eller 6,9 til14,9 % total karbon i biomasse (TBC) og 420,37 to 672,80 Mg ha-1 eller 12,5 til 20,0 % lagret C sammenlignet med det en finner under naturlig skog. Til tross for at forskjellene ikke er signifikante så var nitrogen lagret under Juniperus procera høyest mens det var lavest under Eucalyptus globulus og Cupressus lusitanica Strøproduksjon under løvtrebestand og naturlig skog (fra 8,7 til 11,5 Mg ha-1 år-1) var signifikant høyere (P<0.05) enn under bartrærne (fra 4,4 til 6,0 Mg ha-1 år-1). Gjennomsnittlig C- og N-konsentrasjon i ferske, modne blad var høyere enn i strø. Dette indikerer at både C og N gikk tapt under bladfellingsperioden og at disse tapene varierte fra 2,9 til 22,3 % for C og 11,8 til 53 % for N. Den resterende strømassen ble redusert over tid for alle artene. Mengden N som potensielt returnerte til jorden med strø var høyere i naturlig skog, Juniperus procera og Cupressus lusitanica sammenlignet med Eucalyptus saligna, Eucalyptus camaldulensis, Eucalyptus globulus og Pinus patula. Den årlige tørrstoffnedbrytningskonstanten (k) varierte fra 0,07 måned-1 i Pinus patula til 0,12 i Juniperus procera. Halveringstiden (t0.5) for nedbryting strakte seg fra 6,0 for Pinus patula til 9,7 måneder for Pinus patula. Resultatene antyder at nedbrytingshastigheten for Pinus patula var relativt langsommere enn for de andre artene og at strøproduksjonen under bredbladet eukalyptus var relativt høyere enn for bartreartene. Ingen signifikant forskjell ble observert i luft- og vanninnhold ( % ved -10 kPa matrikspotensiale), eller tilgjengelig vannlager under de ulike plantebestandene. Det ble imidlertid registret signifikant høyere jordtetthet og signifikant lavere porevolum og infiltrasjonshastighet under plantebestand på dyrkede arealer enn i uforstyrret skogsjord. Vanninnhold (% ved -1500 kPa matrikspotensiale) i jord under Juniperus procera og naturlig skog var signifikant høyere enn under andre plantebestand. Utbyttbare kationer minket med dybde, med unntak av Ca2+ under E. globulus og E. camaldulensis som viste motsatt trend. Konsentrasjonen av utbyttbar Ca2+ og Mg2+ under plantede bestand var lavere, og av K+ høyere enn den under den naturlige skogen. Jorda under plantebestand på tidligere dyrkede arealer hadde en jordkvalitetsindeks som var lavere enn grunnverdiene, mens ved etablering på uforstyrret skogsjord, med unntak av E. saligna, var høyere enn denne verdien. Resultatene som er framkommet indikerer at tradisjonell agroforestry har et høyere potensiale for karbonlagring, forutsatt at dyrkingsmetoder forbedres og at trær med kjente, egnede egenskaper og funksjoner integreres i alle jordbruksarealer. Den høyere ix strøproduksjonen under bredbladet beplantning antyder at tilført C for lagring og resirkulering av næringsstoff i jorda er høy under Eucalyptus arter og at dette potensialet kan utnyttes til å restaurere, vedlikeholde og lagre organisk C, forutsatt at rotasjonsperioden er forlenget. Generelt bør naturlig skog vernes mot omlegging til annet bruk for å opprettholde gode økologiske funksjoner. Derimot kan plantasjer betraktes som et bedre alternativ enn jordbruk for sekvenstrering av karbon og nitrogen som tiltak mot et økende innhold av CO2 i atmosfæren og for å ta vare på jordas dyrkingspotensial