碳股票和土壤特性下的灌木在干燥Afromontane埃塞俄比亚北部的森林

文摘

增加的植物物种的存在可能带来各种生态影响生物质碳、土壤的有机碳含量和土壤的物理和化学性质。然而,他们对这些生态参数的影响可能会由于各种各样的生命形式不同,入侵植物群落的生态系统,和非生物条件。这项工作进行了检查的影响Cadia紫竹和Tarchonanthus camphoratus覆盖在碳证券在植被和土壤和土壤理化性质Desa森林,埃塞俄比亚北部。植被和土壤数据收集从150采样块(大小20 m×20 m) uninvaded和入侵植被条件。土壤样本收集的表层土(0-15,15 - 30厘米)uninvaded和入侵植被条件。统计不同碳股票和土壤特性 入侵和uninvaded植被状况都使用一个独立的测试t以及使用R-software。上面的意思是,地下生物量碳储量的uninvaded植被条件(17.62 Mg·C /公顷和4.14 Mg·C /公顷,分别)被发现明显高于那些入侵植被条件(4.73 Mg·C /公顷和1.11 Mg·C /公顷,分别)。平均土壤有机碳(SOC)明显更高 uninvaded (122.83 Mg·C /公顷)比入侵(90.13 Mg·C /公顷)植被状况。总碳股票估计显著更高 在uninvaded植被条件下(144.59 Mg·C /公顷)比入侵植被条件(95.97 Mg·C /公顷)。此外,结果显示大部分土壤特性的显著降低 在广阔的灌木入侵植被条件下除了相当高的含砂量 。淤泥、氮、磷、钙、铜、锌并没有显著改变的封面的灌木。我们的研究结果表明,增加存在广阔的物种减少碳捕获和大多数森林内的土壤养分的影响。因此,提高碳储存潜力,维持森林的土壤养分状况,适当的保护,监视和管理现有的巴斯克民族主义党和控制的进一步扩张的灌木是必需的。进一步的研究需要的因素的差异在每个植被碳储量和土壤养分条件除了广阔的灌木扩张的影响。

1。介绍

侵入性和广泛的植物物种被全球公认的严重生态威胁近几十年来,影响森林生态系统服务(1- - - - - -6]。侵入性和广泛的植物也有类似的有害后果和共同特征7,8]。他们都能产生高质量的种子和再生,建立轻松和快速增长在一个广泛的地理区域和环境条件(9]。侵入性和广泛的物种的区别在于广阔的物种都是本地植物传播后的景观变化,土地管理,而介绍了外来物种入侵植物与自我复制在遥远地区的网站介绍(10]。入侵物种的高度竞争的能力在新的地方,经常以牺牲本地物种(11]。广泛的物种种类,扩大分布和开拓新的栖息地的地方本地(8]。他们可以取代或显著抑制本地植物通过优越的竞争力,改变生态系统过程,或干扰机制12]。扩张到广阔的植物物种可能带来各种生态影响生物质碳、土壤的有机碳含量和土壤的物理和化学性质,快速增长和高营养吸收潜力(1,3,5,13- - - - - -17]。

一些研究发现的物种扩张增加碳股票(5,18,19和土壤养分17,20.]。相比之下,广阔的物种的扩张导致了碳股票减少在某些领域(15,21]。因此,了解植被和土壤碳变化与膨胀的扩张物种很重要,考虑到最近的注意力在热带地区的碳平衡5,20.]。广阔的物种可能更高或更低的公司₂封存的潜力和能力,温和的气候变化比潜在自然植被(巴斯克民族主义党)。巴斯克民族主义党指的是成熟的植被,将建立一套特定的环境约束但不包括人类的影响(22]。

此外,扩张的物种会导致各种对营养的影响交流,作为广泛的物种通常有更强劲的增长潜力1]。然而,他们可能会对土壤肥力(正面或负面的影响3,23]。塞茨et al。24]表明,植物群落的组成直接影响土壤的变化特征,与土壤过程对植物群落的组成。一些研究表明,扩张的植物增加营养池和提高土壤过程,如垃圾分解和矿化率(1]。它们改变土壤养分政权通过最初改变社区组成3]。快速增长的物种改变养分循环直接通过他们的竞争养分吸收和养分利用效率差和通过修改的质量和数量的垃圾进入土壤或间接通过根的活性比树冠和小气候的改变(17,25]。

这两个的灌木在这项研究中,Cadia紫竹(c .紫竹),Tarchonanthus camphoratus(t . camphoratus),是常年本地灌木Desa广泛扩展,干Afromontane森林(以下简称Desa萨那森林)在埃塞俄比亚北部。海丽的研究等。23]表示木本植物物种组成的变化,以及对植物多样性的影响和再生状态后膨胀的扩张在森林中灌木。人口结构指标,如直径、高度和平均断面积的植物物种与膨胀的扩张也拒绝灌木(23]。除此之外,尽管广泛的植物物种的物种和特有的性质,扩张的正面和负面的影响在不同的生态方面已报告(3,5,13,15,19]。的空间分布26)、扩张的因素和影响的广阔的灌木(c .紫竹和t . camphoratus)在植物多样性、再生和结构(23以前评估。然而,两种膨胀的影响碳股票和土壤特性尚未报道,虽然他们记录是很重要的。因此,考虑的空间分布和丰富的植物物种,迫切需要扩大我们的理解评估的扩张的影响广泛的物种对生态系统固碳和土壤属性。

这项工作的目的是检查的影响c .紫竹和t . camphoratus覆盖在碳证券和土壤属性。本研究的目标是(我)分析的灌木的影响(c .紫竹和t . camphoratus)覆盖在上面的,地下生物量碳的森林,(ii)的碳储量评估植被的优势种条件,(3)量化的灌木覆盖对土壤有机碳的影响在森林里,和(iv)评估的影响广泛的灌木森林覆盖对土壤的物理化学特性。

2。材料和方法

2.1。研究网站

这项研究是开展Desa干在埃塞俄比亚北部Afromontane遗迹森林。Desa森林位于13°20′之间与14°10′N纬度和39°32′和39°55′E经度(图1)。森林是58注册国家森林优先领域保护遗迹自然森林和埃塞俄比亚的遗传资源。它涵盖了两个行政区域在埃塞俄比亚,提格雷远处低地和高地的区域,与森林的多数居住在提格雷区域状态(图1)。它触及到Atsbi-Womberta Enderta地区统治和Kuneba Abala从远处区域。森林的面积大约是120026公顷(27]。

Desa萨那森林延伸从东非大裂谷的山脊向宽干谷盆地。凉爽的森林作为一个缓冲区提格雷高地和远处的热低地地区(28]。超过30%的斜坡类约45%的地区被发现(29日]。研究区域的海拔范围在1400 - 2800年间m.a.s.l。该地区的地质形成基于Enticho砂岩和水晶前寒武纪基底。根据Aynekulu [29日),这项研究的主要土壤类型网站包括Leptosols、变性土,始成土、砂性土、粗骨土。

气候数据收集从Atsbi气候站(13°52′N, 39°44′E)国家气象局的埃塞俄比亚附近的研究从2006 - 2018年的网站。因此,平均年降雨量(±SD) Desa萨那森林(图627(±64.3)毫米2)。面积的最小和最大每月平均温度分别为9.3 (±0.7)°C和20.1 (±0.5)°C,分别(图2)。Desa萨那森林大致分为干Afromontane森林,特点是j . procera和o .欧洲公司作为一个占主导地位的巴斯克民族主义党。森林是绿色壁垒对远方地区丹纳基尔沙漠的扩张和提格雷地区的高地30.]。

2.2。研究设计和抽样技术

侦察调查收集初步信息现状的森林和抽样植被条件。研究区被分为两个植被条件“uninvaded”(0 - 25%t . camphoratus,c .紫竹,或两者兼而有之,占主导地位的j . procera和o .欧洲公司)和“入侵”(≥50%的封面t . camphoratus,c .紫竹,或两者)通过可视化地评估他们的报道。封面的视觉估计是通过横断面走(31日]。两个彼此附近植被条件限制无法解释的波动由于各种环境因素如土壤属性,降雨政权,和高度。我们使用了一个系统抽样技术表明Ellenberg和Mueller-Dombois [32]。样线是在每个植被条件的距离相隔100米和情节每50米样间隔沿着这些线路。样的起点线测定和铺设的方式可以最大化数量的阴谋使用系统随机抽样技术。横断面的长度不是均匀的分层和他们不同植被条件。情节的数量然后决定基于横断面的长度在两个植被条件。植被条件之间的距离是至少300米的情况下相邻的树冠,以避免交错群落或最多2公里在一次近距离实际上是不可行的(33]。共有150个样本块(大小20 m×20 m)沿样线被放置在植被条件。

2.3。数据收集

植被和土壤之间的数据采集进行了2018年8月和12月。所有树/灌木物种的阴谋被识别和测量每一物种。在植被条件下,高度、胸径(DBH)在从地面1.3米(定义),在树桩的高度和直径(近年来)(在从地面30厘米)直径测量使用磁带和卡尺,分别记录每棵树和灌木物种。multistem树木和灌木,胸径和近年来衡量,我们使用以下方程: DBHe哪里胸径等效和DSHe直径在树墩上高度相等的。

所有单个树的高度大于5米高度测量的取样地块使用测斜仪在不同距离的基于树的高度从基础和计算使用以下方程:

土壤样品都是从一个中心,四个角落的其他四个20 m×20 m样图,0-15厘米和15 - 30厘米的深度使用锋利的刀。这些土壤深度的选择,因为大多数植物根和根质量活动都集中在(31日]。约500 g复合单相同深度的土壤样本混合在现场为每个特定的情节,导致一个样本每土壤深度的情节。除此之外,同样的情节,土壤样品的土壤容重测定收集从土壤表面使用岩心取样器(5厘米×5厘米高,直径98.2厘米³)。样本在环境温度和干然后通过2毫米筛和转移到土壤实验室Mekelle大学地质系,埃塞俄比亚,进行分析。

2.4。数据分析

2.4.1。地上生物量碳(AGBC)估计

地上生物量的树木以胸径(DBH, cm)估计使用异速生长的模型由Tetemke et al。34使用以下方程: 在AGB地上生物量与胸径在胸高直径。

此外,地上生物量中(AGB) multistemmed树木和灌木测量直径在树桩高度(DSH, cm)估计的模型由Tetemke et al。34)根据以下方程:

乔木和灌木的地上生物量中转换为准则建立在政府间气候变化专门委员会(后碳35),假设碳含量是50%的树木和灌木的地上生物量中使用以下方程: 在AGBC地上生物量碳(毫克/公顷);AGB地上生物量;C是碳分数(默认值是0.50)。

2.4.2。地下生物量碳(BGBC)估计

地下生物量(BGB),通常被称为根生物量、由root-to-shoot比率值决定。在这项研究中,地下生物量碳(BGBC Mg·C /公顷)的植物物种被乘以计算地上生物量碳(AGBC Mg·C /公顷)的平均root-to-shoot比0.26推荐物种在干旱地区(36)根据以下方程:

2.4.3。土壤有机碳(SOC)

土壤中的土壤样本进行了分析实验室的土地资源管理和环境保护和地质部门,Mekelle大学,埃塞俄比亚。首先,土壤样品在室温下风干和渗2毫米筛去除大颗粒垃圾和残骸。样品被烘干的,直到一个常数体重保持温度为105°C。那时SOC估计后,皮尔森et al。37)根据以下方程: 在哪里d的总深度土壤样本(cm), %C是碳浓度(%),p是土壤容重(克/厘米³使用以下公式计算: 其中ODW是烘干的土壤样本的重量以克;简历是核心卷(cm³);CF是质量的粗碎屑在克(> 2毫米);PD岩石碎块的密度在g / cm³,通常为2.65克/厘米^3所示。

2.4.4。碳排放总量

总碳股票(Mg·C /公顷)的植被条件由加法的三个碳池(地上生物量、地下生物量碳、土壤有机碳)计算使用以下方程: TCS在哪里总碳股票,AGBC地上生物量碳股票(毫克/公顷),BGBC地下生物量碳股票(Mg C /公顷),和SOC是土壤有机碳(毫克/公顷)。

的有限公司₂相当于当时由相乘的总碳股票比二氧化碳的分子量的碳(44/12)或3.67 (37]。

2.4.5。土壤理化分析

土壤样本风干在室温和渗2毫米筛去除大颗粒像垃圾和残骸和均质土壤和15变量进行了分析。土壤质地决定使用比重计法、土壤pH值使用酸度计1:2.5土壤:水比、总氮(N)与凯氏法,可用布雷二世磷的提取方法(38Walkley-Black)和土壤有机碳的方法(39),分别。钠、钾、钙、镁和微量元素(铜、锌、锰和铁)提取与乙二胺四乙酸(EDTA)和他们的浓度决定了原子吸收分光光度计(33]。此外,原状土样本收集来自同一块入侵的表面使用岩心取样器和uninvaded植被条件来确定容积密度。一直特别关注避免土壤损失而采取核体积密度测量。土壤样品的干燥质量权重确定后烘干的,直到一个常数体重维持在105°C。

2.5。统计分析

所有数据对碳储量和土壤理化特征uninvaded和入侵植被状况进行了分析使用R软件包[40]。Shapiro-Wilk和列文的统计测试进行检查正态分布和方差的同质性,分别。一个独立的t以及用于测试意味着不同的碳储量(生物质碳和SOC股票)和土壤理化特性之间的入侵和uninvaded植被条件。统计均值差异被认为是重要的< 0.05。

3所示。结果

3.1。植被特征

uninvaded植被的优势种条件被发现j . procera,o .欧洲Dodonaea angustifolia, Vachellia etbaica(Schweinf。),假虎刺属可食的Vahl的贡献约为36%,14%,7%,5%,和4%,分别。剩下的34%是由其他57伍迪的物种。入侵植被的优势种条件c .紫竹,t . camphoratus,Vachellia etbaica(Schweinf。)采用natalensisBernh。克劳斯,和其他物种的贡献约为51%,31%,2%,2%,和14%,分别。总干密度的伍迪物种入侵和uninvaded植被条件被发现1369和1382公顷⁻¹,分别。它被发现之间的植被条件明显不同 。此外,平均木本植物种类、直径和高度显著降低的丰富广阔的灌木 。伍迪与胸径类物种的百分比≤5厘米,6 - 10厘米,11日至20日厘米,和> 20厘米是49.51%,29.80%,15.97%,4.78%,uninvaded植被条件和57.50% - 36.95%,5.3%,0.24%,入侵植被条件,分别(图3)。

3.2。碳储量优势种的植被条件

前三种的相对优势uninvaded植被的99.37%,即o .欧洲公司(9.22 (Mg·C /公顷),42.4%),j . procera(7.72 (Mg·C /公顷),35.5%),和Dodonaea angustifolia(0.48 (Mg·C /公顷),2.2%),贡献约80%碳的总生物量(表1)。另一方面,排名前三的物种入侵植被条件的相对优势度为99.29%,也就是说,c .紫竹(1.71 (Mg·C /公顷),29.3%),t . camphoratus(1.07 (Mg·C /公顷),18.3%),和Vachellia etbaica(Schweinf。) (0.34 (Mg·C /公顷),5.8%),贡献约53%碳的总生物量(表1)。

3.3。地上和地下生物量碳储量

平均地上生物量碳(AGBC) uninvaded和入侵植被条件估计为17.62 Mg·C /公顷和4.73 Mg·C /公顷,分别(表1)。的差异意味着地上碳被发现之间的重要的入侵和uninvaded植被条件(< 0.001)。uninvaded植被条件高于58%(表入侵植被条件1)。同样,地下碳股票明显高于uninvaded植被条件相比,入侵植被条件(< 0.001)。uninvaded植被条件的地下碳股票也高于58%(表入侵植被条件1)。

3.4。土壤有机碳(SOC)

SOC估算的结果表明,它已经减少了在两个深度的垂直分布,也就是说,0-15厘米,15 - 30厘米,uninvaded和入侵植被条件。平均SOC股票0-15 15 - 30厘米土壤深处被发现是68.02到54.81 Mg·C /公顷和47.75到42.38 Mg /公顷uninvaded和入侵植被条件下,分别。的差异被发现在两个深度显著uninvaded植被条件( ,表2)。然而,意味着SOC没有表现出统计上的显著差异在两个深度入侵植被条件( ,表2)。此外,uninvaded植被条件明显显示 更高的SOC相比邻入侵植被条件(表在深处2)。SOC股票(0 30厘米)的平均值是122.83±19.13,90.13±18.67毫克/公顷uninvaded和入侵植被条件下,分别。结果表明,平均SOC股票被发现明显高于在uninvaded植被条件较入侵植被条件( ,表2)。

3.5。总碳储量和二氧化碳封存

平均总碳储量(±SD)被发现是144.59±20.36,95.97±19.71 Mg·C /公顷uninvaded和入侵植被条件,分别(表2)。在所有碳池,显著提高碳储量发现uninvaded植被条件相比,入侵植被条件( ,表2)。的有限公司₂测查次削减被发现是530.65和352.21毫克/公顷uninvaded和入侵植被条件下,分别。的有限公司₂封存在uninvaded植被条件下显著高于入侵植被条件( ,表2)。

3.6。土壤理化特性

结果表明,更高的丰富的广阔的灌木入侵植被条件没有显著改变土壤的一些特征,包括土壤泥沙,氮、磷、钙、铜和锌相比uninvaded植被条件( ,表3)。然而,氮和钙浓度被发现是在入侵植被条件下略高于uninvaded植被条件。碳、钾、钠、镁、锰和铁的浓度,和土壤pH值显著降低在广阔的灌木( ,表3)。相比之下,含砂量明显高于在入侵植被条件下比uninvaded植被条件( ,表3)。

4所示。讨论

4.1。生物质碳储量

生物量和生物量低碳储量被发现在广阔的灌木入侵植被条件相比uninvaded植被条件Desa森林。uninvaded之间的相当大的总生物量碳的差异和相邻入侵植被条件可以从两方面来解释。首先,增加丰富和扩展新领域的广阔的物种Desa森林被人为干扰等促进燃烧,过度放牧,肆意和薪材的巴斯克民族主义党,击剑、建筑材料、农业设备、和木炭(23,30.]。扩张的物种在该地区可能会导致较低的碳储量由于其较低的胸径。第二,森林里的人为干扰加剧巴斯克退化(23),因此影响植被恢复和地上部生物量的积累,在确定碳股票(41]。此外,更高的物种丰度影响个体的数量每公顷的底面积可能引起uninvaded生物质碳股票之间的差异和入侵植被条件。例如,Balderas和阿图罗42)表示,底面积是一个至关重要的参数,控制碳含量的物种。如上所述在所罗门的工作等。43),网站有更多的底面积和直径导致更高的碳储存。总生物量碳的总体贡献最高的股票o .欧洲公司和j . procera在uninvaded植被条件和c .紫竹和t . camphoratus在入侵植被条件下可能是由于植物物种丰度就越高。

4.2。土壤有机碳的股票

土壤是一个重要的碳汇,持有更多的碳比的总生物量和大气中碳(44]。我们的研究发现,SOC的表层(0-15厘米)相比,地下一层(15 - 30厘米)uninvaded和入侵植被条件。这是在协议与其他结果报告,SOC随土壤深度增加(45- - - - - -49]。各种研究[50- - - - - -52)也报告了更高浓度的SOC的表层土壤。SOC含量较高,土壤的表层可能是由于更高的输入和快速分解的垃圾一个合适的条件。然而,两者之间的衰减在SOC的深度(0-15 15 - 30厘米)被发现在uninvaded植被条件下高于入侵植被条件。这可以归因于物种的性质,程度的扰动,物种结构和组成(53]。

SOC含量会增加、减少或改变不显著的扩张膨胀灌木(13,15,19]。我们的研究发现,高覆盖广阔的灌木引起显著减少意味着SOC相对于巴斯克民族主义党在uninvaded植被条件(表中2)。变化可能发生由于物种的本质,增长条件下,物种结构和组成、和其他干扰因素53]。另一方面,人为干扰巴斯克民族主义党可能有两个原因,(i)属性来减少巴斯克民族主义党和后续生产的生物质litterfall和(2)促进膨胀的扩张灌木植被地上生物量减少导致低SOC。因此,uninvaded植被地上生物量高的条件可能有更高的土壤对SOC的贡献比入侵植被地上生物量较低的状况。SOC的差异也可能是由于巴斯克转向广阔的物种在森林里,改变了初级生产、土壤动物区系的社区,和支持深度,这也可能影响SOC (54- - - - - -56]。瓦尔德(先前的研究57)表明,不同的植物有不同的影响根生物量和土壤微生物的活性,从而影响SOC积累。因此,SOC含量最高的uninvaded植被条件也可能是由于巴斯克的存在导致垃圾生物质能的持续生产和分解。快速相关养分分解率高微生物活动已报告Yelenik et al。25)和瓦莱里·et al。5)以下的扩张Vachellia saligna和大athericus,分别。相反,减缓微生物养分分解据报道该地区的入侵桉树camaldulensis(17]。

4.3。土壤理化性质

我们认为入侵在土壤属性之间的差异和uninvaded植被条件造成的直接和间接影响在每个发现的树木和灌木植被状况。此外,氮浓度较高的入侵植物的固氮能力可能是由于条件的物种,即t . camphoratus(58]。相对高浓度的钙在我们的结果是同意研究Sholto-Douglas et al。3),据报道高钙的广阔的物种Dicerothamnus rhinocerotis和Pteronia incana入侵的网站。土壤pH值的显著差异之间的入侵和uninvaded植被条件是与先前的研究一致3,6,59- - - - - -61年)报道,植物入侵和扩张显著提升土壤pH值。本研究的pH值被发现低相比,在病房等的研究。6的土壤t . camphoratus。

高可变性土壤理化特征对植物物种的扩张已经在其他的研究报道。先前的研究已经报道都增加(1,3,25,62年和减少3,63年]土壤属性的值在侵入性和广泛的植物物种入侵网站相比uninvaded网站。的变化可能是由于几个原因,其中最重要的功能特性的物种和巴斯克民族主义党,植物物候学和形态学的差异对网站发起不同的影响,环境因素,而土壤微生物群落(64年,65年]。此外,草本覆盖抑制与增加的封面的灌木,从而增加土壤侵蚀,可能导致营养损失变化的原因(23,66年]。凋落物分解速率变化也被认为是解释土壤养分的变化由于广泛的物种的扩张。一些侵入性或广泛的物种可以增加微生物活动导致快速营养分解率,他们报道了Yelenik et al。25)和瓦莱里·et al。5入侵后)Vachellia的扩张大athericus分别和减缓养分分解据Tererai et al。17入侵后)桉树camaldulensis。

5。结论

这项研究显示,所有测量低碳储量被发现在广阔的森林中灌木。总意味着碳生物量和土壤有机碳的股票uninvaded植被条件高于入侵植被的条件。二氧化碳封存的潜力森林被发现更低的灌木。不同土壤特性已经被观察到的树冠下的巴斯克民族主义党uninvaded植被条件相比,土壤的树冠广阔的灌木入侵植被条件。大多数土壤物理化学性质显著降低在广阔的灌木入侵植被条件除了含砂量显著提高。一些土壤属性如淤泥、氮、钙、铜、锌并没有显著改变的封面的物种而巴斯克民族主义党。因此,提高碳储存潜力,维持森林的土壤养分状况,适当的保护,监视和管理现有的巴斯克民族主义党和控制的进一步扩张的灌木是必需的。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由Mekelle大学和MU-HU-NMBU机构合作项目。

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