Effects of land-use changes on the properties of a Nitisol and hydrological and biogeochemical processes in different forest ecosystems at Munesa, south-eastern Ethiopia

Titelangaben

Ashagrie, Yeshanew:
Effects of land-use changes on the properties of a Nitisol and hydrological and biogeochemical processes in different forest ecosystems at Munesa, south-eastern Ethiopia.
Bayreuth , 2004
( Dissertation, 2005 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

The effects of conversion of natural forest into different exotic tree species plantations and crop cultivation were investigated at Munesa, south-eastern Ethiopia with the objectives of (i) determining changes on soil physical and chemical properties, (ii) quantifying water and nutrient fluxes under the different forest ecosystems, and (iii) assessing nutrient dynamics in water flowing through the soil under the different forest ecosystems. Soil samples were taken from the organic layer and at 0-20, 20-40, 40-70, 70-100 cm depths from the mineral soil. Rainfall and throughfall were collected using plastic funnels mounted 1 m above the ground. Soil solutions were collected with zero-tension (organic layer) and tension (mineral soil at the depth of 20, 50 and 100 cm) lysimeters. After 26 years of cultivation, surface (20 cm depth) soil structure was deteriorated and total soil organic carbon (SOC) and N contents both in bulk soil and water stable aggregates were significantly reduced. Below 21 years old Eucalyptus plantation no significant changes on the above mentioned parameters could be identified, but significant reductions in SOC, N and S concentrations associated with the sand and silt separates were evident. There were also significant reductions both in quality and quantity of particulate organic matter (POM) due to cultivation and only in quality of POM due to 21 years Eucalyptus plantation. The organic layer mass under 21 years old Pinus patula, 21 years old Eucalyptus globulus and third rotation Eucalyptus globulus (established 42 yr ago) decreased by 43%, 57% and 15%, respectively, relative to the natural forest. There were also significant reductions in the organic layer C and N stocks (9 to 60% and 25 to 68%, respectively), being highest under Pinus and lowest under third rotation Eucalyptus. In the mineral soil, to 1 m depth, there was a significant (P<0.05) reduction (16 to 20%) in SOC stock after conversion of natural forest into forest plantations. The N stocks under the 21 years old Pinus and third rotation Eucalyptus plantations were significantly reduced amounting 27 and 20% respectively, whereas 21 years old Eucalyptus had nearly an equivalent amount of N as that of the natural forest, probably due to a dense forest floor vegetation, fixing N. The changes in the organic layer and mineral soil S stocks after plantation establishment were not significant. Of the total annual rainfall (1190 mm) recorded during the monitoring period (October 2001 to September 2002), about 47% and 18% were intercepted by the canopies of Cupressus and the natural forest, and Eucalyptus, respectively. Total annual nutrients (Ca, Cl, K, Mg, Na, NH4–N, NO3–N, PO4–P, SO4–S ) deposition by rainfall was 12 kg ha–1yr–1. Throughfall K, Mg, Ca and Cl fluxes were enriched relative to rainfall, whereas Na, NO3–N, NH4–N, PO4–P and SO4–S were depleted. Total annual throughfall nutrient inputs (Ca, Cl, K, Mg, Na, NH4–N, NO3–N, PO4–P, SO4–S) were 14 kg ha–1yr–1 under Cupressus, 21 kg ha–1yr–1 under the natural forest and 24 kg ha–1yr–1 under Eucalyptus. Water passing through the different forest floors differed only in K, Mg and NO3–N concentrations, the latter two being higher under the natural forest and Eucalyptus plantation than Cupressus. Potassium was greater under Eucalyptus than the natural forest and Cupressus. Except for NH4–N in the natural forest, forest floor leachate nutrient concentrations were enriched in all forest types in relation to throughfall. Most nutrient fluxes to the mineral soil decreased in relation to throughfall fluxes, whereas NO3–N fluxes increased by over 50% in all forest types. At all soil depths, the concentrations of most nutrients in the mineral soil solution decreased relative to the concentrations in the forest floor leachate, but Mg, Na and NO3–N at all depths in Cupressus plantation and SO4–S and Na at some soil depths in the natural forest and Eucalyptus plantation had increased. The vertical trends in soil solution nutrient concentrations showed a decreasing trend with depth increments for most of the nutrients, but the concentrations of Cl and Na in all forest types and Ca, Mg and NO3–N in Cupressus increased with increasing soil depth. At 1 m soil depth, the concentrations of Ca, Mg and NO3–N in Cupressus, respectively, were 8, 7 and 23 times higher than in the natural forest and 3, 4 and 81 times higher than in Eucalyptus indicating losses by leaching. Generally, the results of this study emphasize the importance of forest type, species composition and management in affecting carbon and nutrient storage, water and nutrient fluxes and dynamics.

Abstract in weiterer Sprache

Im Munesa-Wald, Südostäthiopien, wurden die Auswirkungen der Umwandlung von Naturwald in Pflanzungen mit unterschiedlichen ausländischen Baumarten bzw. in Ackerland untersucht. Die Zielsetzung war, die Änderungen in bodenphysikalischen und -chemischen Eigenschaften zu ermitteln, die Wasser- und Nährstoffflüsse in den unterschiedlichen Waldökosystemen zu quantifizieren und die Nährstoffdynamik im Bodenwasser der unterschiedlichen Waldökosysteme zu beurteilen. Bodenproben wurden von der organischen Auflage und vom Mineralboden in 0–20, 20–40, 40–70 und 70–100 cm Tiefe genommen. Freiland- und Bestandesniederschlag wurden mit Kunststofftrichtern gesammelt, die 1 m über dem Boden angebracht waren. Bodenlösungen wurden mit freidränenden (organische Auflage) bzw. Unterdruck-Lysimetern (Mineralboden in 20, 50, 100 cm Tiefe) gewonnen. In 26 Jahren Ackerbau verschlechterte sich die Struktur des Oberbodens (0–20 cm) und die Gehalte an organischem Kohlenstoff (SOC) und Stickstoff in Gesamtboden und wasserstabilen Aggregaten nahmen beträchtlich ab. Unter einer 21-jährigen Eucalyptus-Pflanzung konnten keine signifikanten Änderungen dieser Parameter festgestellt werden, aber signifikante Abnahmen von organischem Kohlenstoff, Stickstoff und Schwefel traten in der Sand- und Schlufffraktion auf. Auch zeigten sich signifikante Minderungen in Qualität und Quantität der partikulären organischen Substanz (POM) infolge von Ackerbau bzw. nur in der Qualität der POM in der 21-jährigen Eucalyptus-Pflanzung. Die Masse der organischen Auflage unter einer 21-jährigen Pinus patula-Pflanzung, einer 21-jährigen Eucalyptus globulus-Pflanzung und unter Eucalyptus globulus in der dritten Rotation (angelegt vor 42 Jahren) nahm gegenüber dem Naturwald um 43%, 57% bzw. 15% ab. Auch die Vorräte an organischem Kohlenstoff und Stickstoff in der Auflage zeigten signifikante Abnahmen (9–60% bzw. 25–68%), am meisten unter Pinus und am wenigsten unter Eucalyptus in der dritten Rotation. Im Mineralboden bis 1 m Tiefe gab es eine signifikante Abnahme von 16–20% (P<0,05) im SOC-Vorrat nach der Umwandlung des Naturwalds in Pflanzungen. Die N-Vorräte unter der 21-jährigen Pinus-Pflanzung und der Eucalyptus-Pflanzung in der dritten Rotation waren signifikant um 27 bzw. 20% reduziert, während die 21-jährige Eucalyptus-Pflanzung nahezu den gleichen N-Vorrat aufwies wie der Naturwald, wahrscheinlich aufgrund des dichten, N-fixierenden Unterwuchses. Die Veränderungen der Schwefel-Vorräte in organischer Auflage und Mineralboden nach dem Anlegen der Pflanzungen waren nicht signifikant. Vom gesamten Jahresniederschlag während der Messperiode (1190 mm von Oktober 2001 bis September 2002) wurden etwa 47% durch das Kronendach von Cupressus und Naturwald bzw. 18% von Eucalyptus zurückgehalten. Die gesamte jährliche Deposition von Nährstoffen (Ca, Cl, K, Mg, Na, NH4–N, NO3–N, PO4–P, SO4–S) im Niederschlag betrug 12 kg ha–1 Jahr–1. Die Flüsse von K, Mg, Ca, und Cl im Bestandesniederschlag waren höher als im Freilandniederschlag, die von Na, NO3–N, NH4–N, PO4–P und SO4–S dagegen niedriger. Die gesamten jährlichen Nährstoff-Einträge (Ca, Cl, K, Mg, Na, NH4–N, NO3–N, PO4–P, SO4–S) mit dem Bestandesniederschlag betrugen 14 kg ha–1 Jahr–1 unter Cupressus, 21 kg ha–1 Jahr–1 unter dem Naturwald und 24 kg ha–1 Jahr–1 unter Eucalyptus. Das Sickerwasser aus den verschiedenen Auflagen unterschied sich nur in den Konzentrationen von K, Mg und NO3–N, wobei die beiden letzteren unter Naturwald und Eucalyptus höher waren als unter Cupressus. Kalium war unter Eucalyptus höher als unter Naturwald und Cupressus. Die Nährstoff-Konzentrationen im Auflagen-Sickerwasser waren im Vergleich zum Bestandesniederschlag in allen Waldtypen erhöht mit Ausnahme von NH4–N im Naturwald. Die Flüsse in den Mineralboden waren für die meisten Nährstoffen niedriger als die Flüsse mit dem Bestandesniederschlag, während die von NO3–N in allen Waldtypen um über 50% höher waren. Die Konzentrationen der meisten Nährstoffen waren in den Mineralbodenlösungen aller Tiefen gegenüber dem Auflagen-Sickerwasser vermindert, die von Mg, Na und NO3–N aber in allen Tiefen unter Cupressus und die von SO4–S und Na in einigen Bodentiefen unter Naturwald und Eucalyptus erhöht. Der vertikale Verlauf der Nährstoffkonzentrationen in den Bodenlösungen zeigte eine Abnahme mit den Tiefenstufen für der meisten Nährstoffen. In allen Waldtypen nahmen aber die Konzentrationen von Cl und Na mit der Tiefe zu, in der Cupressus-Pflanzung auch die von Ca, Mg und NO3–N. In 1 m Bodentiefe unter Cupressus waren die Konzentrationen von Ca, Mg und NO3–N um den Faktor 8 bzw. 7 bzw. 23 höher als unter Naturwald und um den Faktor 3 bzw. 4 bzw. 81 höher als unter Eucalyptus und wiesen somit auf Auswaschungsverluste hin. Insgesamt unterstreichen die Ergebnisse dieser Studie die Bedeutung von Waldtyp, Artenzusammensetzung und Wirtschaftsweise für die Kohlenstoff- und Nährstoff-Speicherung, die Wasser- und Elementflüsse sowie die Nährstoff-Dynamik.