Oil Palm and Rubber Tree Transpiration: Topography, Flooding and Tree admixture in Jungle Rubber Stands

by Afik Hardanto
Doctoral thesis
Date of Examination:2017-03-16
Date of issue:2017-03-27
Advisor:Prof. Dr. Dirk Hölscher
Referee:Prof. Dr. Alexander Knohl
Referee:Prof. Dr. Hermann Behling
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-6217

 

 

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Abstract

English

In post-forest plantation landscapes of lowland Sumatra, I studied (1) effects of topography and flooding on transpiration by mono-cultural oil palm and rubber tree plantations, and (2) tree water use rates and tree soil water uptake depths in mono-cultural and mixed ‘jungle’ rubber stands. Oil palm and rubber plantations extend over large areas and encompass heterogeneous site conditions. In periods of high rainfall, plants in valleys and at riparian sites are more prone to flooding than plants at elevated topographic positions. I asked to what extent topographic position and flooding affect oil palm and rubber tree water use patterns and thereby influence spatial and temporal heterogeneity of transpiration. In an undulating terrain in the lowlands of Jambi, Indonesia, plantations of the two species were studied in plot pairs consisting of upland and adjacent valley plots. All upland plots were non-flooded, whereas the corresponding valley plots included non-, long-term and short-term flooded conditions. Within each plot pair, sap flux densities in palms or trees were monitored simultaneously with thermal dissipation probes. In plot pairs with non-flooded valleys, sap flux densities of oil palms were only slightly different between the topographic positions, whereas sap flux densities of rubber trees were higher in the valley than at the according upland site. In pairs with long-term flooded valleys, sap flux densities in valleys were lower than at upland plots for both species, but the reduction was far less pronounced in oil palms than in rubber trees (-22% and -45% in maximum sap flux density, respectively). At these long-term flooded valley plots palm and tree water use also responded less sensitively to fluctuations in micrometeorological variables than at upland plots. In short-term flooded valley plots, sap flux densities of oil palm were hardly affected by flooding, but sap flux densities of rubber trees were reduced considerably. Topographic position and flooding thus affected water use patterns in both oil palms and rubber trees, but the changes in rubber trees were much more pronounced: compared to non-flooded upland sites, the different flooding conditions at valley sites amplified the observed heterogeneity of plot mean water use by a factor of 2.4 in oil palm and by a factor of 4.2 in rubber plantations. Rubber tree mono-cultural plantations are expanding and there is also a search for ‘green’ rubber production. Rubber tree cultivation in stands with admixed spontaneously growing native trees, called ‘jungle rubber’, has a long tradition in Sumatra. The objectives of my study were to analyze tree water use rates and tree soil water uptake depths in mono-cultural and mixed ‘jungle’ rubber stands with a focus on the role of tree diameter. Sap flux measurements suggest similar water use rates for rubber trees in the two cultivation systems. The increase in tree water use with tree diameter was however much stronger for rubber trees than for the admixed native tree species. At the stand-level, transpiration of jungle rubber was by 27% higher than of rubber monocultures, which was mainly due to the higher stem density in the jungle rubber stands. In these stands, the share of rubber trees of the total transpiration corresponded with its’ share to total tree basal area. A water stable isotope (δ18O and δD) approach suggests different soil water uptake depths for the rubber trees in the two cultivation systems. In a dry period, the main tree water uptake in the monoculture was relatively close to the soil surface, whereas rubber trees in the jungle rubber mainly took up water from deeper in the soil profile. The admixed native trees in the jungle rubber had their main uptake depth relatively close to the soil surface. This pattern indicates competitive displacement of the rubber tree water uptake. Across rubber trees in both cultivation systems and also among the admixed native trees, there was a clear relationship between tree diameter and soil water uptake depth: bigger trees tended to take up soil water closer to the soil surface. Overall, my study revealed strong differences between oil palms and rubber tree transpiration in response to topography and flooding. Such a pronounced heterogeneity of water use across space and time may be of relevance for eco-hydrological assessments of tropical plantation landscapes. The comparison mono-cultural and mixed ‘jungle’ rubber stands suggests, that rubber trees are relatively weak competitors for water resource uptake, and tree diameter modifies both tree water use rates and tree water uptake depths. The diameter relationship offers opportunities for management interventions in favor of the rubber trees. Mixed species cultivation systems in oil palm with native tree species have only recently been established and are awaiting their evaluation.
Keywords: heterogeneity; Indonesia; sap flux; Sumatra; transpiration; variability; competition; ecohydrology; Hevea brasiliensis; poly-cultures; resource partitioning; stable isotopes

German

In der vorliegenden Arbeit befasste ich mich mit Waldplantagen im sumatraischen Tiefland und untersuchte (1) die Auswirkung von Topographie und Überschwemmung auf die Transpirationsleitstung von Ölpalmen- und Kautschukmonokulturen, und (2) die Wasserflussraten sowie die Tiefe der Bodenwasseraufnahme aus der die Pflanzen der Monokulturen und der Dschungel-Kautschukplantagen ihr Wasser entnehmen. Ölpalmen- und Kautschukplantagen erstrecken sich über große Flächen und umfassen heterogene Standortbedingungen. In Zeiten mit hohem Niederschlag sind Pflanzen in Tälern und an Uferbereichen anfälliger für Überschwemmungen als Pflanzen in erhöhten topographischen Positionen. Ich untersuchte inwieweit die topographische Lage und die Überschwemmungen Ölpalmen- und Kautschukwassernutzung beeinflussen und damit die räumliche und zeitliche Heterogenität der Transpiration verändern. In dem hügeligen Gelände im Tiefland von Jambi, Indonesien wurden Plantagen beider Arten in Versuchsflächenpaaren untersucht die jeweils aus Hochland und angrenzenden Talgrundstücken bestanden. Alle Hochland Versuchsflächen wurden nicht überschwemmt, während die entsprechenden Tal Versuchsflächen ebenfalls nicht- oder aber kurzfristige und langfristige überschwemmte Bedingungen einschlossen. Innerhalb jedes Versuchsflächenpaars wurden Saftlussdichten in Ölpalmen oder Bäumen gleichzeitig mit der sog. „Thermal Dissipation Probes“ Saftflussmessungsmethode gemessen. In den Versuchsflächen mit nicht gefluteten Tälern waren die Saftflussdichten der Ölpalmen zwischen den topographischen Positionen nur geringfügig unterschiedlich, während die Saftflussdichten von Kautschukbäumen im Tal höher waren als im entsprechenden Hochlandgebiet. In den Versuchsflächenpaaren mit langfristig gefluteten Tälern waren die Saftflussdichten in Tälern für beide Arten niedriger als im Hochland, aber die Reduktion war in Ölpalmen weit weniger ausgeprägt als in Kautschukbäumen (-22% bzw. -45% der maximalen Saftflussdichten). Bei diesen langfristig gefluteten Talgrundstücken reagierte die Saftflussdichte von Ölpalmen und Kautschukbäumen weniger empfindlich auf Schwankungen in mikrometeorologischen Variablen als auf den Hochlandversuchsflächen. In kurzzeitigen gefluteten Tälern wurden die Saftflussdichten der Ölpalme kaum durch die Überschwemmung beeinflusst, die der Kautschukbäume jedoch beträchtlich reduziert. Topographische Lage und Überschwemmung beeinflussten also die Wassernutzungsmuster sowohl bei Ölpalmen als auch bei Kautschukbäumen, aber die Veränderungen in den Kautschukbäumen waren deutlich ausgeprägter: Im Vergleich zu nicht überschwemmten Hochlandstandorten verstärkten die unterschiedlichen Überschwemmungsbedingungen an Tälern die beobachtete Heterogenität des Wasserverbrauch im Versuchsflächenmittel um Faktor 2,4 in Ölpalmenplantagen und um Faktor 4,2 in Kautschukplantagen. Kautschukmonokultur Plantagen expandieren und so gibt es die Forderung nach einer "grünen" Kautschuk Produktion. Der Kautschukanbau in mit einheimischen Baumarten gemischten Beständen hat eine lange währende Tradition in Sumatra und wird „Dschungel-Kautschuk“ genannt. Die Ziele meiner Arbeit waren die Analyse der Baumwassernutzung und der Tiefe der Baumwasseraufnahme in den Monokulturen und den Dschungel-Kautschukständen mit Schwerpunkt auf der Bedeutung des Baumdurchmessers. Die Saftflussmessungen deuten auf ähnliche Wasserverbrauchsraten der Kautschukbäume in den beiden Anbausystemen hin. Der Anstieg der Baumwassernutzung mit Baumdurchmesser war jedoch viel stärker für Kautschukibäume als für die eingemischten einheimischen Baumarten. Auf der Bestandesebene war die Transpiration von Dschungel-Kautschuk um 27% höher als bei den Kautschuk Monokulturen, was vor allem auf die höhere Stammdichte in den Dschungel-Kautschukständen zurückzuführen ist. In diesen Beständen korrelierte der Anteil der Gesamttranspiration der Kautschukbäume mit dem Anteil an der Gesamtgrundfläche. Eine Analyse der stabilen Isotope δ18O und δD des Bodenwassers zeigte unterschiedliche Bodenwasseraufnahmetiefen für die Kautschukbäume in den beiden Kultivierungssystemen. In einer Trockenperiode erfolgte die Hauptwasseraufnahme der Monokultur relativ öberflächennah, während die Bäume im Dschungel-Kautschuk hauptsächlich Wasser aus tieferliegenden Bodenhorizonten aufnahmen. Die eingemischten einheimischen Bäume im Dschungel-Kautschuk hatten ihre Hauptaufnahmetiefe relativ nahe an der Bodenoberfläche. Dieses Phänomen deutet auf eine kompetitive Verschiebung der Kautschukwasseraufnahme hin. Desweiteren gab es zwischen den Kautschukbäumen beider Anbausysteme als auch unter den eingemischten einheimischen Bäumen eine klare Beziehung zwischen dem Baumdurchmesser und der Bodenwasseraufnahmetiefe: Größere Bäume neigten dazu, das Bodenwasser näher an der Bodenoberfläche aufzunehmen. Insgesamt zeigte meine Studie starke Unterschiede zwischen Ölpalmen- und Kautschukbaumtranspiration als Reaktion auf Topographie und Überschwemmungen. Eine solche ausgeprägte Heterogenität der Wasserverwendung über Raum und Zeit kann für die ökohydrologische Bewertung tropischer Plantagenlandschaften von Bedeutung sein. Der Vergleich monokultureller und gemischter Dschungel-Kautschukbestände legt nahe, dass Gummibäume relativ schwache Konkurrenten für die Wasserressourcenaufnahme sind, und der Baumdurchmesser die Magnitude der Wasserverwendung sowie die Baumwasseraufnahmetiefen beeinflusst. Die Durchmesserbeziehung bietet gute Möglichkeiten für Managementinterventionen zugunsten der Kautschukbäume. Mischkultivierungssysteme in der Ölpalme mit einheimischen Baumarten wurden erst kürzlich eingerichtet und ihre Bewertung steht noch aus.
 
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