Sheep grazing effects on soil carbon and nitrogen and implications for runoff water quality at a low alpine site in southern Norway

Abstract

Grazing in outlying fields has a long history and is important in local communities worldwide. Alpine ecosystems, representing a large proportion of the land area in Europe, are under pressure from changes in climate and land-use. During the last decades grazing pressure has both decreased and increased in alpine ecosystems, but little is known about the effects on soil carbon (C) storage and nitrogen (N) cycling. As part of a sheep grazing experiment in a low alpine system at Hol, southern Norway, with three density levels of sheep; no sheep (control), 25 sheep km-2 and 80 sheep km-2, we determined effects of grazing on C and N in organic horizons of grassland soils. In addition, effects of grazing on leaching of nutrients and coliform bacteria were assessed. After 7 years of grazing, high sheep density reduced soil carbon concentration and carbon stocks at equivalent soil mass as compared to control. By contrast, the opposite was observed at the low sheep density. The form of soil organic matter (SOM), expressed as ratios of particulate organic C to soil organic C, and the lability of SOM (potential carbon mineralization) were only slightly affected by grazing. The lability of SOM was not affected by grazing directly, but significantly related to the mineral content of the O-horizons. In general, there were large differences between plant communities (i.e. snowbed and grasslands with willow-shrub) for several soil attributes. The grasslands were characterized by a tight N-cycling with low concentrations of inorganic N in soil water and surface runoff, and small rates of potential N mineralization. There was a strong seasonal effect on inorganic N of the soil water, with decreasing values in the course of the growing season, probably due to increasing nutrient demand. Effects of grazing on bioavailable N (as determined by buried PRSTM exchange resins) were greater at low as compared to high altitudes. At low altitudes, low sheep density reduced amounts of bioavailable N. In turn, significantly greater rates of potential N mineralization were found at sites with high sheep density compared to those with low density or no grazing. However, effects of grazing on distribution and cycling of N as determined using δ15N natural abundance and added 15NH4-N were small. Sheep grazing significantly reduced infiltration rates and increased concentrations of coliform bacteria in stream water indicating risks for drinking water quality in areas affected by grazing. There was, however, no indication of grazing induced risk in losses of nutrients. A low grazing pressure in this system is positive for soil carbon storage. In terms of N, these findings suggest that grazing may stimulate N-cycling, but the availability of N remains low. Nitrogen removal through grazing is small compared to the total soil N pool. This suggests that grazing in this low alpine ecosystem is sustainable from a nutrient point of view.

Beite i utmark har lange tradisjoner og er viktig i lokalsamfunn over hele verden. Alpine økosystemer, som representerer en stor andel av landarealet i Europa, er under press med tanke på endringer i klima og arealbruk. I løpet av de siste tiårene har beitetrykket både gått ned og økt i alpine systemer, men det er lite kunnskap om effekter på karbon (C) lagring og nitrogen (N) omsetning i jord. Som en del av et sauebeiteprosjekt i et lavalpint område i Hol, sør Norge, med tre tetthetsnivåer av sau; ikke beitet (kontroll), 25 sau km-2 and 80 sau km-2, var formålet med studien å undersøke effekter av beite på C og N i organiske sjikt i grasmark. I tillegg ble effekter av beite på avrenning av næringsstoffer og koliforme bakterier undersøkt. Etter 7 års beiting var karbonkonsentrasjonen og karbonlageret basert på ekvivalent jordmasse redusert ved høy tetthet av sau sammenlignet med kontroll, i motstetning til for lav sauetetthet hvor det økte. Formen av organisk materiale (SOM) i jord, uttrykt som forholdet mellom partikulært C og totalt jord organisk C, samt labiliteten av SOM (potensiell karbonmineralisering) var i liten grad påvirket av beite. Labiliteten av SOM var ikke påvirket av beite direkte, men signifikant relatert til mineralinnholdet i O-sjiktene. Det var generelt store forskjeller mellom plantesamfunn (snøleier og grasmark med vier) for flere jordattributter. Grasmarkene var karakterisert med en lukket N sirkulering, med lave konsentrasjoner av uorganisk N i jordvann og overflateavrenning, og lav potensiell N mineralisering. Det var en sterk sesongeffekt på uorganisk N i jordvann med nedadgående konsentrasjoner gjennom vekstsesongen, antakeligvis på grunn av et høyt næringsbehov. Effekter av beiting på biologisk tilgjengelig N (undersøkt ved hjelp av nedgravde PRSTM ionebyttere) økte med høyde over havet. Ved lavere høyder ble biologisk tilgjengelig N redusert ved lav sauetetthet. Videre ble det funnet signifikant høyere rater av potensiell nitrogenmineralisering ved høy sauetetthet i forhold til lav tetthet og kontroll. Effekter av beiting var imidlertid små når det ble undersøkt basert på δ15N natural abundance og tilført 15NH4-N. Infiltrasjonskapasiteten ble signifikant redusert ved sauebeite. I tillegg økte konsentrasjonene av koliforme bakterier, noe som indikerer en risiko for drikkevannskvaliteten i områder berørt av beite. Det ble imidlertid ikke funnet noen indikasjon på økt risiko for tap av næringsstoffer som følge av sauebeite. Et lavt beitetrykk er positivt for dette systemet med tanke på karbonlagring. Med tanke på N tyder disse funnene på at beite kan stimulere N omsetning, men at tilgjengeligheten allikevel forblir lav. Nitrogenuttak med sau er liten sammenlignet med det totale lageret av N i jorden. Dette tyder på at beiting i dette lavalpine økosystemet er bærekraftig med tanke på næringsstoffer.