Comparison of carbon sequestration and soil/litter characteristics in black pine and maritime pine afforestation areas in the Western Black Sea Region

Year 2023, Volume: 24 Issue: 3, 299 - 308, 30.09.2023

Onur Kocabıyık , Şükrü Teoman Güner , Aydın Çömez

https://doi.org/10.18182/tjf.1334107

Abstract

Land use and land use change can positively or negatively affect carbon and nutrient stocks in ecosystems. This study was carried out to determine the effects of afforestation with black pine and maritime pine species on carbon stocks and soil and litter characteristics. The study was conducted on afforestation areas and adjacent bare lands in Bartın-Ulus county, located in the Western Black Sea Region of Turkey. Three sample plots of 20×20 m were taken from each land use and the diameter at breast height and tree heights in these sample plots were measured Using the diameter and height values and the biomass equations and carbon ratios developed for the relevant tree species, the tree biomass and carbon stock per unit area were calculated. Then, disturbed and undisturbed soil samples and litter samples were taken from 0-10, 10-20 and 20-30 cm depth intervals at three points in each sample plot. The physical and chemical properties of the soil and litter samples were determined in the laboratory and measurements in the sample plots were converted to a unit area. The data were evaluated using independent sample t-tests and analysis of variance. The results showed that afforestation significantly changed N, S, P, Fe, Zn, and Cu concentrations in the soil; and C, S, Mn, and Zn concentrations in black pine and maritime pine forest floor were different. Besides, the ecosystem carbon (C) stocks differed significantly with forest land use type; black pine plantations, maritime pine plantations and bare land accumulated 148 t C ha-1, 89 t C ha-1 and 27 t C ha-1, respectively. Thus, we suggest that priority should be given to black pine in afforestation of the region and in other ecosystems with similar climates. The results of the research can be used in species selection for afforestation studies in terms of reducing the impact of global climate change.

Keywords

Land-use change, Pinus nigra, Pinus pinaster, Ecosystem, Carbon pools

Project Number

1919B012106854

Batı Karadeniz Bölgesi’ndeki karaçam ve sahil çamı ağaçlandırma alanlarının karbon birikimi ile toprak ve ölü örtü özellikleri bakımından karşılaştırılması

Abstract

Arazi kullanımı ve arazi kullanım değişikliği ekosistemdeki karbon ve besin maddesi stoklarını olumlu ya da olumsuz yönde etkileyebilmektedir. Bu çalışma, karaçam ve sahil çamı türleri ile yapılan ağaçlandırmaların karbon stokları ile toprak ve ölü örtü özelliklerine etkisini belirlemek amacıyla yapılmıştır. Çalışma, Türkiye’nin Batı Karadeniz Bölgesinde yer alan Bartın ili, Ulus ilçesindeki ağaçlandırma alanları ile bu alanlara bitişik çıplak alanlar üzerinde yürütülmüştür. Her arazi kullanımından 20×20 m ebadında üç adet örnek alan alınmış, bu örnek alanlardaki ağaçların göğüs çapları ve boyları ölçülmüştür. Ölçülen bu çap ve boy değerleri ile ilgili ağaç türleri için geliştirilen bitkisel kütle denklemleri ve karbon oranları kullanılarak birim alandaki ağaç kütlesi ve karbon stoku hesaplanmıştır. Daha sonra her örnek alanda üç noktada 0-10, 10-20 ve 20-30 cm derinlik kademelerinden bozulmuş ve bozulmamış toprak örnekleri ile ölü örtü örnekleri alınmıştır. Araziden alınan toprak ve ölü örtü örneklerinin laboratuvarda fiziksel ve kimyasal özellikleri belirlenmiş ve örnek alanda ölçülen değerler birim alana dönüştürülmüştür. Elde edilen veriler t testi ve varyans analizi ile değerlendirilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre, ağaçlandırmanın toprakların N, S, P, Fe, Zn ve Cu içeriklerini önemli seviyede değiştirdiği; karaçam ve sahil çamı ölü örtülerinin C, S, Mn ve Zn içerikleri bakımından farklı olduğu anlaşılmıştır. Ayrıca ekosistem karbon stoku arazi kullanım türlerine göre önemli farklılaşma göstermiş, karaçam ve sahil çamı ağaçlandırmaları ile çıplak alanda sırasıyla 148 t C ha-1, 89 t C ha-1 ve 27 t C ha-1 bulunmuştur. Bu sebeple, yörede ve benzer ekolojik özelliklere sahip yerlerdeki ağaçlandırmalarda önceliğin karaçama verilmesi önerilebilir. Araştırma sonuçları, küresel iklim değişikliğinin etkisinin azaltılması bakımından ağaçlandırma çalışmaları için tür seçiminde kullanılabilir.

Keywords

Arazi kullanım değişikliği, Pinus nigra, Pinus pinaster, Ekosistem, Karbon havuzları

Supporting Institution

Tübitak

Project Number

1919B012106854

Thanks

Bu araştırma, TÜBİTAK 2209-A Üniversite Öğrencileri Araştırma Projeleri Destekleme Programı tarafından “Ulus (Bartın) yöresindeki sahil çamı ve karaçam ağaçlandırmalarının karbon birikimi açısından değerlendirilmesi (1919B012106854)” isimli proje kapsamında desteklenmiştir. Örnekleme alanlarında bulunan bitki taksonlarını teşhis eden Dr. Öğr. Üyesi Bilge TUNÇKOL ile sonuç raporunda kullanılan haritayı hazırlayan Öğr. Gör. Eren Gürsoy ÖZDEMİR’e teşekkür ederiz.

References

• Akınoğlu, G., Korkmaz, A., Horuz, A., 2022. Toprak ve Sulama Suyunda Analiz Sonuçlarının Değerlendirilmesi. Akademisyen Kitabevi, Ankara.
• Berg, B., Meentemeyer, V., 2001. Litter fall in some European coniferous forests as dependent on climate: a synthesis. Canadian Journal of Forest Research, 31(2): 292-301. doi:10.1139/x00-172.
• Berg, B., McClaugherty, C., 2003. Plant Litter Decomposition, Humus Formation, Carbon Sequestration. Springer-Verlag Berlin Heiderberg, Germany.
• Brant, A.N., Chen, H.Y.H., 2015. Patterns and mechanisms of nutrient resorption in plants. Critical Reviews in Plant Sciences, 34(5): 471-486. doi: 10.1080/07352689.2015.1078611.
• Çepel, N., 1985. Ağaçlandırma çalışmalarında uygulanan arazi hazırlığı çalışmalarına ilişkin mekanizasyonun ekolojik sonuçları. İstanbul Üniversitesi Orman Fakültesi Dergisi, B(35), 1-13.
• Çepel, N., 1996. Toprak İlmi Ders Kitabı. İstanbul Üniversitesi Basımevi, İstanbul.
• Çömez, A., 2012. Sündiken Dağları’ndaki (Eskişehir) Sarıçam (Pinus sylvestris L.) Meşcerelerinde Karbon Birikiminin Belirlenmesi. Orman Toprak ve Ekoloji Araştırmaları Enstitüsü Müdürlüğü Yayını, Eskişehir.
• Diallo, M.B., Irénikatché Akponikpè, P.B., Fatondji, D., Abasse, T., Agbossou, E.K., 2019. Long-term differential effects of tree species on soil nutrients and fertility improvement in agroforestry parklands of the Sahelian Niger. Forests, Trees and Livelihoods, 28(4), 240-252.
• Dixon, R.K., Brown, S., Houghton, R.A., Solomon, A.M., Trexler, M.C., Wisniewski, J., 1994. Carbon pools and flux of global forest ecosystem. Science, 263: 185–190.
• Erinç, S., 1965. Yağış Müessiriyeti Üzerine Bir Deneme ve Yeni Bir İndis. İstanbul Üniversitesi Coğrafya Enstitüsü Yayını, İstanbul.
• Erkan, N., Ayhan, E., 2023. Growth rate and economic evaluation of mixed stands established with Cedrus libani and Pinus nigra. Scandinavian Journal of Forest Research, 38(5): 344-351.
• Evrendilek, F., Celik, I., Kilic, S., 2004. Changes in soil organic carbon and other physical soil properties along adjacent Mediterranean forest, grassland, and cropland ecosystems in Turkey. Journal of Arid Environments, 59(4): 743–752.
• Eslamdoust, J., Sorabi, H., 2018. Carbon storage in biomass, litter, and soil of different native and introduced fast-growing tree plantations in the South Caspian Sea. Journal of Forest Research, 29(2): 449–457.
• Güner, Ş.T., Çömez, A., 2017. Biomass equations and changes in carbon stock in afforested black pine (Pinus nigra Arnold. subsp. pallasiana (Lamb.) Holmboe) stands in Turkey. Fresenius Environmental Bulletin, 26(3): 2368–2379.
• Güner, D., Özkan, K., 2019. Türkiye’deki karaçam ağaçlandırma alanlarında besin stoklarının belirlenmesi. Ormancılık Araştırma Dergisi, 6(2): 192-207.
• Güner, Ş.T., Erkan, N., Karataş, R., 2021. Effects of afforestation with different species on carbon pools and soil and forest floor properties. Catena, 196, 104871. https://doi.org/10.1016/ j.catena.2020.104871
• Hewitt, A., Fraser, S., Hedley, C.B., Lynn, I., 2012. Afforestation effects on soil carbon stocks of low productivity grassland in New Zealand. Soil Use and Management, 28: 508-516.
• IUSS Working Group WRB, 2015. World reference base for soil resources 2014, update 2015. International soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps. World Soil Resources Reports No. 106, FAO, Rome.
• Jandl, R., Lindner, M., Vesterdal, L., Bauwens, B., Baritz, R., Hagedorn, F., Johnson, D.W., Minkinen, K., Byrne, K.A., 2007. How strongly can forest management influence soil carbon sequestration? Geoderma, 137: 253-268.
• Jian, Z., Lei, L., Ni, Y., Xu, J., Xiao, W., Zengi L., 2022. Soil clay is a key factor affecting soil phosphorus availability in the distribution area of Masson pine plantations across subtropical China. Ecological Indicators, 144: 109482.
• Kacar, B., İnal, A., 2010. Bitki Analizleri. Nobel Yayınevi, Ankara.
• Kantarcı, M.D., 2000. Toprak İlmi. İstanbul Üniversitesi Yayını, İstanbul.
• Karatepe, Y., 2005. Accumulation of organic carbon and nitrogen in plantation forests of black pine (Pinus nigra Arn.) and black locust (Robinia pseudoacacia L.) in Golcuk (Isparta). Forestist, 55(1): 209-223. https://doi.org/10.17099/jffiu.33805
• Korkanç, S.Y., 2014. Effects of afforestation on soil organic carbon and other soil properties. Catena, 123: 62-69. https://doi.org/10.1016/j.catena.2014.07.009
• Korkanç, S.Y., Şahin, H., Özden, A.O., Özkurt, B., 2018. Arazi kullanımı dönüşümlerinin toprakların organik karbon depolama ve bazı özellikleri üzerindeki etkileri: Niğde yöresi örneği. Türkiye Ormancılık Dergisi, 19(4): 362-367. https://doi.org/10.18182/tjf.436132
• Kroetsch, D., Wang, C., 2008. Particle Size Distribution, in section VI. Soil Physical Analysis, Section Ed. By Angers D.A., Larney, F.J., In: Carter, M.R., Gregorich, E.G. (Eds.), Soil Sampling and Methods of Analysis 2. Edition, CRC Press, Boca Raton.
• Lal, R., 2005. Forest soils and carbon sequestration. Forest Ecology and Management, 220: 242-258. https://doi.org/10.1016/ j.foreco.2005.08.015
• Li, Y., Han, C., Sun, S., Zhao, C., 2021. Effects of tree species and soil enzyme activities on soil nutrients in dryland plantations. Forests, 12: 1153. https://doi.org/10.3390/f12091153
• Makineci, E., 2021. Nitrogen accumulation in forest floors with introduced Pinus pinea and Pinus pinaster in dune site. Environmental Monitoring and Assessment, 193: 327. https://doi.org/10.1007/s10661-021-09100-3
• MGM., 2020. Meteorolojik veri. https://www.mgm.gov.tr/, Erişim: 14.02.2020.
• MTA., 2021. 1:500.000 Ölçekli Türkiye Jeoloji Haritaları. http://www.mta.gov.tr/v3.0/hizmetler/500bas, Erişim: 13.12.2021.
• Müftüoğlu, N.M., Türkmen, C., Çakılı, Y., 2014. Toprak ve Bitkide Verimlilik Analizleri. Nobel Yayınevi, Ankara.
• Nowak, D.J., Crane, D.E., 2002. Carbon storage and sequestration by urban trees in the USA. Environmental Pollution, 116: 381–389. https://doi.org/10.1016/S0269-7491(01)00214-7
• OGM, 2018. Orman Genel Müdürlüğü Stratejik Planı (2019-2023).
• https://www.ogm.gov.tr/ekutuphane/StratejikPlan/Orman%20Genel%20M%C3%BCd%C3%BCrl%C3%BC%C4%9F%C3%BC%20Stratejik%20Plan%20(2019-2023).pdf, Erişim: 22.03.2020.
• Ozdemir, E., Oral, H.V., Akburak, S., Makineci, E., Yilmaz, E., 2013. Carbon and nitrogen accumulation in forest floor and surface soil under different geographic origins of Maritime pine (Pinus pinaster Aiton.) plantations. Forest Systems, 22(2): 214-221. http://dx.doi.org/10.5424/fs/2013222-03441
• Pausas, J.G., 1997. Litter fall and litter decomposition in Pinus sylvestris forests of the eastern Pyrenees. Journal of Vegetation Science, 8: 643-650. https://doi.org/10.2307/3237368
• Peichl, M., Arain, M.A., 2006. Above- and belowground ecosystem biomass and carbon pools in an age-sequence of temperate pine plantation forests. Agricultural and Forest Meteorology, 140: 51-63. https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2006.08.004
• Peng, L., Tang, C., Zhang, X., Duan, J., Yang, L., Liu, S., 2022. Quantifying the effects of root and soil properties on soil detachment capacity in agricultural land use of southern China. Forests, 13: 1788. https://doi.org/10.3390/f13111788
• Rhoades, C., Binkley, D., 1996. Factors influencing decline in soil pH in Hawaiian Eucalyptus and Albizia plantations. Forest Ecology and Management, 80(1-3): 47–56. https://doi.org/10.1016/0378-1127(95)03646-6
• Sarıyıldız, T., Savacı, G., Maral, Z., 2017. Effect of different land uses (mature and young fir stands- pasture and agriculture sites) on soil organic carbon and total nitrogen stock capacity in Kastamonu Region. Kastamonu University Journal of Forestry Faculty, 17(1): 132-142. https://doi.org/10.17475/ kastorman.296912
• Schimel, D., Enting, I.G., Heimann, M., Wigley, T.M.L., Raynaud, D., Alves, D., Siegenthaler, U., 2000. CO2 and the carbon cycle. In: The Carbon Cycle, Ed: Wigley TML, Schimel DS, Cambridge University Press, USA.
• Segura, C., Navarro, F.B., Jiménez, M.N., Fernández-Ondoño, E., 2020. Implications of afforestation vs. secondary succession for soil properties under a semiarid climate. Science of The Total Environment, 704: 135393. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv. 2019.135393
• Sever, H., Makineci, E., 2008. Ağaçlı-İstanbul maden sahalarında sahil çamı (Pinus pinaster Aiton.) ağaçlandırmalarında bazı ölü örtü ve toprak özellikleri. Süleyman Demirel Üniversitesi Orman Fakültesi Dergisi, A(2): 136-146.
• Soleimani, A., Hosseini, S.M., Bavani, A.R.M., Jafari, M., Francaviglia, R., 2019. Influence of land use and land cover change on soil organic carbon and microbial activity in the forests of northern Iran. Catena, 177: 227-237. https://doi.org/10.1016/j.catena.2019.02.018
• SPSS v.22.0®, 2015. SPSS 22.0 Guide to Data Analysis. published by Prentice Hall, Upper Saddle River, New Jersey, USA.
• Tolunay, D., Çömez, A., 2007. Orman topraklarında karbon depolanması ve Türkiye’deki durum. Küresel İklim Değişimi ve Su Sorunlarının Çözümünde Ormanlar Sempozyumu, 13-14 Aralık, İstanbul, s. 97-107.
• Tolunay, D., Makineci, E., Şahin, A. Özturna, A.G., Pehlivan, S., Abdelkaım, M.A., 2017. İstanbul-Durusu Kumul Alanlarındaki Sahil Çamı (Pinus pinaster Ait.) ve Fıstık Çamı (Pinus pinea L.) Ağaçlandırmalarında Karbon Birikimi. TÜBİTAK TOVAG Proje Nu: 114O797, İstanbul.
• TS 8336, 1990. Soils-Determination of organic matter. Turkish Standards Institution Press, Ankara.
• TS 8335, ISO 10693, 1996. Soil quality-Determination of carbonate content-Volumetric method. Turkish Standards Institution Press, Ankara.
• TS ISO 11265, 1996. Soil quality-Determination of electrical conductivity. Turkish Standards Institution Press, Ankara.
• TS ISO 10390, 2013. Soil quality-Determination of pH. Turkish Standards Institution Press, Ankara.
• Turner, J., Lambert, M., 2000. Change in organic carbon in forest plantation soils in eastern Australia. Forest Ecology and Management, 133(3): 231-247. https://doi.org/10.1016/S0378-1127(99)00236-4
• Yüksek, T., Yüksek, F., 2011. The effects of restoration on soil properties in degraded land in the semi-arid region of Turkey. Catena, 84: 47–53. https://doi.org/10.1016/j.catena.2010.09.002
• Zhang, X., Zhang, X., Han, H., Shi, Z., Yang, X., 2019. Biomass accumulation and carbon sequestration in an age-sequence of Mongolian pine plantations in Horqin sandy land, China. Forests, 10(2): 197. https://doi.org/10.3390/f10020197