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Doctoral Thesis
2007
Rainforestation farming on Leyte island, Philippines - aspects of soil fertility and carbon sequestration potential
Rainforestation farming on Leyte island, Philippines - aspects of soil fertility and carbon sequestration potential
Abstract (English)
This study aimed at investigating rainforestation systems in Leyte, Philippines, under different aspects:
Characterisation of typical soils in Leyte with respect to physical, chemical and biological parameters relevant for tree growth, possible contributions of rainforestation to restoring soil fertility, performance of a recently planted rainforestation system under different microclimatic and soil conditions,
potential of the rainforestation approach for projects under the umbrella of the Clean Development Mechanism (CDM).
Soils in Leyte can be grouped into a volcanic and a calcareous category. The latter were formed on coralline limestone and are high in pH and Ca2+ and Mg2+. Contents of organic matter are high while concentrations of plant available PBray are low. Volcanic soils are characterised by low pH and CEC as well as extremely low PBray contents. Organic matter levels are below those of the calcareous soils but still moderate.
In any analysed soil, N would not limit tree growth. Pore volume and water infiltration were propitious for all sites, which is relevant in the context of erosion. For calcareous soils, drought and reduced rootability due to clayey subsoil posed the most relevant constraints.
The frequently claimed role of rainforestation in the rehabilitation of degraded soils was assessed in a paired plot approach. Chemical and biological soil parameters under 10 year old rainforestation were contrasted with adjacent fallow or Gmelina sp. Clear tendencies across all seven sampled sites were lower available Mg2+ and pH under rainforestation. Other differences were less distinct. Generally, a depletion of soil reserves e.g. in basic cations can be explained by uptake into the plants. A feed-back of these elements to the topsoil via leaf litter, however, could be observed only for available P. In conclusion, plant uptake of single elements can reach orders of magnitudethat reduce soil stocks. At the same time, generally lower pH under rainforestation may have contributed to elevated losses, especially of basic cations. A general improvement of the sampled soils in terms of chemical or biological characteristics through rainforestation could not be observed.
To evaluate plant performance six timber and four fruit species, most native, were interplanted on a 1ha plot. Rainforestation, commonly understood as high-density closed canopy system was modified to a less dense 5x5m grid, interplanted with Musa textilis. The plot varied strongly on a small scale due to heterogeneous canopy closure and relief. Methodologically, the entire area was divided into 10 subplots in representative positions to be sampled. Soil physical and chemical properties, microbial activity, PAR and root length density were determined and correlated to plant survival and growth at consecutive inventories. For Musa textilis, the most sensitive species, which was used as an indicator, logistic regressions were calculated to determine the influence of all relevant parameters on survival rates. The most important predictors for survival were organic matter contents, parameters related to biological activity and leaf litter production, which resembled canopy closure and thus indirectly light intensity and soil moisture. To assess growth, multiple regressions were formulated for biomass at five inventories. Corg and NLOM were the most relevant variables determining the regressions used for biomass and growth of abaca.
Assessing the potential of rainforestation for Clean Development Mechanism (CDM) measures, amounts of sequestered CO2 during 10 and 20 years, respectively, were estimated under different management options using the WaNuLCAS model. Despite all given uncertainty associated with modelling, one very obvious finding was the dominant role of soil carbon for the plot balance: Appropriate soil management, especially during land preparation (e.g. clearing vs. enrichment planting) is of paramount importance. Looking at the modelled contribution of various tree species to the carbon balance, Musa textilis had a significant influence only during the very first years; later on, the principal share of carbon was bound in the tree component. Here, exotic Gmelina arborea built up biomass more quickly than a rainforestation plot composed of native Shorea contorta and Durio zibethinus, but was then overtaken. In absolute quantities of CO2 sequestration, magnitudes matched inventory and modelled data given in various literature sources for Leyte and the Philippines. Relative to earlier inventory data from two rainforestation sites, modelled values overestimated growth.
Abstract (German)
Auf Leyte, Philippinen, wurde in den 1990er Jahren der Rainforestation-Ansatz zur Inwertsetzung degradierter Flächen durch Aufforstung mit einheimischen Baumarten entwickelt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden auf bestehenden Rainforestation-Flächen folgende Aspekte untersucht:
Standortskundliche Charakterisierung typischer Böden in Hanglagen im Hinblick auf physikalische, chemische und biologische Parameter; Beitrag der Rainforestation-Systeme zur Bodenrehabilitation im Vergleich mit traditionellen Landnutzungen;
Identifizierung geeigneter Wuchsbedingungen einer Neupflanzung unter kleinräumig unterschiedlichen Boden- und Klimabedingungen;
mittel- bis langfristige Potenziale zur CO2-Sequestrierung einer Rainforestation-Pflanzung im Rahmen von Projekten des Clean Development Mechanism (CDM) mit Hilfe eines Wachstumsmodells.
Böden an Waldstandorten Leytes können nach ihrer Entstehung aus Korallenkalk oder Vulkangestein unterschieden werden. Die Kalkböden (Cambisol und Leptosol) sind neben hohen pH-Werten und Gehalten an Ca2+- und Mg2+-Ionen durch niedrige Gehalte an pflanzenverfügbarem Phosphor gekennzeichnet. Die Vulkanböden (Luvisols, Cambisols, Nitisol) weisen pH-Werte zwischen 4 und 5, geringe effektive KAK und extrem geringe P-Gehalte auf.
Die meisten untersuchten Standorten waren hinsichtlich ihrer Humus- und Stickstoffgehalte nicht unterversorgt. Auch Porenvolumen und Wasserinfiltration, beide relevant für Bodenerosion, wurden durchgehend als günstig eingestuft. Allerdings kann Hangzugwasser über BT-Tonhorizonten wechselfeuchte Bedingungen hervorrufen. Besonders auf den Kalkböden kann das Pflanzenwachstum zudem durch temporäre Trockenheit und Verhärtung der tonreichen Unterböden eingeschränkt werden.
Im Zusammenhang mit der Durchführung von Rainforestation-Projekten wurde in der Vergangenheit oft die Rolle dieser Systeme bei der Rehabilitation übernutzter bzw. erodierter Hanglböden herausgestellt. Diese Aussage wurde mittels eines Vergleichs mindestens 10-jähriger Rainforestationflächen an 7 verschiedenen Standorten zu jeweils direkt benachbarten Brachen bzw. Aufforstungen mit Gmelina arborea untersucht. Statistisch signifikante Unterschiede zwischen den Landnutzungen bestanden bei den pH-Werten und Gehalten an austauschbarem Mg2+, welche in Rainforestation-Böden unter denjenigen der jeweiligen Referenzflächen lagen. Eine generelle Verarmung von Böden an basischen Kationen durch Festlegung in Pflanzen erscheint plausibel (Nykvist 1997). Anzeichen für eine erneute Freisetzung von Elementen aus Bäumen über den Laubfall wurden hinsichtlich PBray an zwei Standorten deutlich. Verbesserte Bodenfruchtbarkeit bzgl. chemischer oder biologischer Parameter durch Rainforestation konnte mit dem verwendeten Ansatz nicht festgestellt werden.
2004 wurde eine neue Rainforestation-Pflanzung, bestehend aus einheimischen Wertholzarten, Obstbäumen und Musa textilis angelegt. Hier wurde die Entwicklung der Pflanzen wiederholter Inventuren erfasst.
Bodenphysikalische und -chemische Parameter sowie mikrobielle Aktivität und Biomasse, photosynthetisch aktive Einstrahlung sowie Streuproduktion und Wurzellängendichte der vorhandenen Vegetation wurden auf zehn Teilflächen bestimmt. Diese Parameter wurden zu Überlebens- und Zuwachsraten von Musa textilis in der Neupflanzung mit Hilfe von Logit-Funktionen in Beziehung gesetzt. Dabei waren die wichtigsten Standortfaktoren bzgl. der Überlebensraten Humusgehalt, biologische Aktivität im Boden und Streuproduktion. Alle drei Größen hängen wesentlich mit der Bodenfeuchte zusammen.
Zur Bewertung von Einflussgrößen auf Pflanzenbiomasse und -wachstum wurden multiple Regressionen erstellt. Organischer Kohlenstoff und N in der leicht abbaubaren organischen Bodensubstanz waren die bedeutendsten Steuergrößen für Biomasse und Zuwachs.
Zur Bewertung des Potenzials kleinbäuerlicher Agroforstpflanzungen für CDM-Projekte wurde ein Modellansatz gewählt. Mit Hilfe des Modells WaNuLCAS (Water, Nutrients, Light and Carbon in Agroforestry Systems) wurden Wachstumsverläufe von Pflanzen auf Grundlage gemessener Standorteigenschaften und Pflanzenparameter unter verschiedenen Landnutzunsszenarien während 10 bzw 20 Jahren simuliert. In allen Modellläufen war der C-Haushalt des Bodens von herausragender Bedeutung für die CO2-Bilanz der gesamten Parzelle. Ein nennenswerter Beitrag der schnellwachsenden M. textilis zur CO2-Sequestrierung ergab sich in den Simulationen nur während der Anfangsphase. Im Vergleich verschiedener Pflanzsysteme zeichnete sich Gmelina arborea als Pionierart durch schnellen Aufbau von Biomasse, verbunden mit hoher CO2-Fixierung, aus. Dieses System wird gewöhnlich im Aufforstungsansatz staatlicher Programme favorisiert. Eine dem Rainforestation-Ansatz entsprechende Kombination einheimischer Nutzholz- und Obstbaumarten benötigte dagegen längere Zeit zur Entwicklung, nahm aber insgesamt über knapp 20 Jahre größere Mengen an CO2 auf.
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Faculty of Agricultural Sciences
Institute
Institute for Plant Production and Agroecology in the Tropics and Subtropics
Examination date
2007-11-01
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English
Publisher
Publisher place
Classification (DDC)
630 Agriculture