The environmental impact of selective logging in southern Cameroon: soil disturbance, nutrient budget and greenhouse gas fluxes

von Rodine Tchiofo Lontsi
Dissertation
Datum der mündl. Prüfung:2020-02-20
Erschienen:2020-02-26
Betreuer:Prof. Dr. Edzo Veldkamp
Gutachter:Prof. Dr. Edzo Veldkamp
Gutachter:Prof. Dr. Dirk Hölscher
Zum Verlinken/Zitieren: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-7889

 

 

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Zusammenfassung

Englisch

Tropical forests play an important role in climate change mitigation through carbon sequestration in the vegetation and soils, which can be released to the atmosphere through deforestation and forest degradation. One of the key drivers of tropical forest degradation is selective logging, which is the most common timber harvesting practice in the tropics. Selective logging in Cameroon involves harvesting only trees of commercially important species that have reached the minimum harvestable diameter at breast height, as defined by the forest administration. In general, less than one tree is harvested per hectare due to high forest diversity and limited markets for most timber species. Selective-logging operations result in four types of disturbed strata (felling gaps, skidding trails, logging decks and logging roads) that differ in the degree of disturbance. Besides these disturbed strata are patches of intact forest whose spatial extent depends on the harvest intensity. Yet, little is known about the impacts of selective logging on highly weathered soils of Congo Basin rainforests. This thesis sets up to assess the impacts of selective logging on forest soils by estimating (1) the area directly affected by logging operations and nutrient export with timber harvest, (2) spatially explicit changes in soil physical and biochemical characteristics and (3) changes in soil greenhouse gas (GHG) fluxes. The study was conducted in two forests logged with conventional selective logging (CL) and reduced-impact logging (RIL) protocols, respectively, in southern Cameroon. In this study, CL refers to unplanned logging operations in an unmanaged forest while RIL implies well-planned operations carried out by trained crews in a logging concession certified for sustainable forest management. Both forests (CL and RIL) had comparable vegetation structure and soil characteristics prior to logging, and similar logging intensity (i.e., removals of < 0.3 tree ha-1, equivalent to < 3 m3 wood ha-1). We designed our study such that each of the four replicate plots at each logging system covered the four disturbed strata (road, logging deck, skidding trail and felling gap) and an adjacent undisturbed area as reference. For our first objective, we conducted ground mapping to estimate the areal coverage of each disturbed stratum in both logging systems, using handheld global positioning system (GPS) and tape measure. Maps of the location and spatial extent of all felling gaps, skidding trails, logging decks and roads within CL and RIL were produced in QGIS. The ground area directly affected by logging operations accounted for less than 6% of the total forest area in both CL and RIL. We attributed the comparable ground disturbance between the two logging systems to the low logging intensity and the recruitment of local workers with prior RIL experience by CL operator. Due to low logging intensity, the amount of nutrients exported with harvested timber was lower compared to logging-induced soil nutrient losses. The total biomass-C emission from both selective logging systems (i.e., C in extracted timber and logging damage to residual stand) was estimated to be < 8 Mg biomass-C ha-1, which represented < 5% of the pre-logging aboveground carbon stock. To achieve our second objective, we determined post-logging soil physical and biochemical characteristics down to 50-cm depth at CL and RIL. We observed different changes in soil characteristics among the disturbed strata compared to the reference, with roads and logging decks being the most affected strata. Area-weighted average of the disturbed strata at CL and RIL showed overall reductions of 21–29% in SOC, N and P stocks relative to the reference areas. We attributed the reduction in element stocks to the removal of organic matter particularly in creating roads and logging decks during logging operations and the absence of plant material inputs after logging. At the scale of the logged forest, SOC, N and P losses equaled 0.9–1.5% of their stocks in the undisturbed area, and may be recovered within 14 years after logging. Finally, we investigated changes in soil GHG fluxes following CL and RIL, and determined their controlling factors. Soil GHG fluxes were measured monthly from September 2016 to October 2017, using static vented chambers. Changes in soil GHG fluxes followed the spatial pattern of disturbance from selective logging with highest changes in roads, logging decks and skidding trails. Soil CO2 emissions decreased in the disturbed area, following the alteration of SOC and nutrient availability, and the increase in water-filled pore space (WFPS). However, this does not reflect a reduction in net ecosystem CO2 emissions following logging disturbance. We found increased soil N2O emissions mainly from the skidding trails, and for soil CH4, emissions from the disturbed area were seven times higher than consumption in the undisturbed reference area. Changes in soil N2O and CH4 fluxes were mainly controlled by soil N availability and WFPS. At the scale of the logged forest, soil CO2 emissions and CH4 uptake decreased by 1.3 and 36%, while soil N2O emissions increased by 3.3% relative to undisturbed forest at CL and RIL. The research presented in this dissertation shows that low-intensity selective logging can be a sustainable way to manage tropical forest if associated with a sufficient rotation time. As discussed in the synthesis chapter, increase in logging intensity and frequent logging may expand ground disturbance and consequently intensify changes in soil characteristics and GHG fluxes in logged forests. This suggests that though low-intensity CL is initially comparable to RIL, repeated logging operations may expose CL forest to greater degradation.
Keywords: Tropical forest; Congo Basin (Africa); Conventional selective logging; Reduced-impact logging; Soil organic carbon; Nutrient export and nutrient stocks; Soil CO2 emission; Soil N2O emission; Soil CH4 flux

Deutsch

Tropische Wälder spielen eine wichtige Rolle im Klimaschutz aufgrund der Speicherung von Kohlenstoff in der Vegetation und im Boden, welcher durch Abholzung und Waldschädigung an die Atmosphäre freigesetzt werden kann. Einer der Haupttreiber der Zerstörung tropischer Wälder ist der selektive Holzeinschlag, der in den Tropen die häufigste Holzerntepraxis darstellt. Beim selektiven Holzeinschlag in Kamerun werden nur Bäume von wirtschaftlich wichtigen Arten geerntet, die den von der Forstverwaltung festgelegten Mindestdurchmesser in Brusthöhe erreicht haben. Im Allgemeinen wird weniger als ein Baum pro Hektar geerntet, was auf eine hohe Walddiversität und begrenzte Märkte für die meisten Holzarten zurückzuführen ist. Selektive Holzeinschlagsaktivitäten führen zu vier Typen von gestörten Bereichen (Hiebslücken, Rückegassen, Holzlagerplätze und Holzabfuhrstraßen), die sich im Grad der Störung unterscheiden. Daneben gibt es intakte Waldflächen, deren räumliche Ausweitung von der Ernteintensität abhängt. Über die Auswirkungen des selektiven Holzeinschlags auf die hochverwitterten Böden der Regenwälder des Kongobeckens ist jedoch wenig bekannt. Diese Arbeit wurde erstellt, um die Auswirkungen des selektiven Holzeinschlags auf Waldböden zu bewerten durch (1) die Beurteilung der Fläche die direkt von Holzeinschlagsaktivitäten und Nährstoffexport durch Holzernte betroffen ist, (2) Untersuchung von räumlich expliziten Veränderungen der bodenphysikalischen und biochemischen Eigenschaften und (3) Untersuchung der Veränderungen von Treibhausgasflüssen im Boden. Diese Studie wurde im Süden Kameruns in zwei Wäldern durchgeführt, deren Holzeinschlag mit konventionell selektivem Holzeinschlag (conventional selective logging (CL)) bzw. reduziertem Holzeinschlag (reduced-impact logging (RIL)) durchgeführt wurde. In dieser Studie bezieht sich CL auf ungeplante Holzeinschläge in einem nicht bewirtschafteten Wald, wohingegen RIL sorgfältig geplante Holzeinschläge von ausgebildetem Personal in einer für nachhaltige Forstwirtschaft zertifizierten Forstkonzession impliziert. Beide Wälder (CL und RIL) wiesen vor dem Holzeinschlag eine vergleichbare Vegetationsstruktur und Bodeneigenschaften sowie eine ähnliche Abholzungsintensität (d.h. die Entfernung von unter 0,3 Bäumen pro Hektar, entsprechend weniger als 3 m3 Holz pro Hektar) auf. Wir haben unsere Studie so konzipiert, dass jede der vier replizierten Parzellen in jedem Holzerntesystem die vier gestörten Bereiche (Abfuhrstraße, Holzlagerplatz, Rückegasse und Hiebslücke) abdeckte und ein angrenzender ungestörter Bereich als Referenz herangezogen wurde. Für unsere erste Zielsetzung haben wir Bodenkartierungen durchgeführt um die flächenmäßige Abdeckung jedes gestörten Bereiches in beiden Holzerntesystemen mittels eines tragbaren globalen Positionierungssystems (GPS) und eines Maßbandes zu schätzen. In QGIS wurden Karten der Lage und räumlichen Ausdehnung aller Hiebslücken, Rückegassen, Holzlagerplätze und Abfuhrstraßen innerhalb von CL und RIL erstellt. Die direkt von den Holzeinschlägen betroffene Bodenfläche machte weniger als 6% der gesamten Waldfläche in CL und RIL aus. Die vergleichbare Bodenstörung zwischen den beiden Systemen führten wir auf die geringe Holzernteintensität und die Rekrutierung von lokalen Arbeitern mit vorheriger RIL-Erfahrung durch den CL-Betreiber zurück. Aufgrund der geringen Holzernteintensität war die Menge der mit geerntetem Holz exportierten Nährstoffe geringer als die durch die Holzernte verursachten Nährstoffverluste im Boden. Die gesamte Biomasse-Kohlenstoff-Emission aus beiden selektiven Holzerntesystemen (d.h. Kohlenstoff in geernteten Holz und Holzschäden am Restbestand) wurde auf unter 8 Mg Biomasse-C pro Hektar geschätzt, was weniger als 5% des oberirdischen Kohlenstoffvorrats vor dem Holzeinschlag entspricht. Für unsere zweite Zielsetzung haben wir die physikalischen und biochemischen Bodeneigenschaften nach Holzeinschlag bis zu einer Tiefe von 50 cm für CL und RIL bestimmt. Unterschiedliche Veränderungen in den Bodeneigenschaften der gestörten Bereiche konnten im Vergleich zur Referenz beobachtet werden, wobei die Abfuhrstraßen und Holzlagerplätze die am stärksten betroffenen Bereiche waren. Der flächengewichtete Durchschnitt der gestörten Bereiche bei CL und RIL zeigte insgesamt einen Rückgang der organischen Kohlenstoff (SOC)-, N- und P-Vorräte im Boden um 21–29% im Vergleich zu den Referenzgebieten. Wir führten diesen Rückgang auf die Entfernung von organischer Substanz zurück, insbesondere bei der Erstellung von Abfuhrstraßen und Holzlagerplätzen während der Holzernte, sowie auf das Fehlen der Zugabe von Pflanzenmaterial nach der Holzernte. In der Größenordnung des geschlagenen Waldes betrugen die Verluste von SOC, N und P 0,9–1,5% ihrer Vorräte im ungestörten Gebiet, sie können innerhalb von 14 Jahren nach dem Holzeinschlag wieder aufgefüllt werden. Schließlich untersuchten wir Veränderungen der Treibhausgasflüsse im Boden nach CL und RIL und ermittelten deren Einflussfaktoren. Die Treibhausgasflüsse im Boden wurden monatlich von September 2016 bis Oktober 2017 mit statischen, belüfteten Hauben gemessen. Veränderungen der Treibhausgasflüsse im Boden folgten dem räumlichen Störungsmuster des selektiven Holzeinschlages mit den größsten Änderungen in Abfuhrstraßen, Holzlagerplätzen und Rückegassen. Die CO2-Emissionen im Boden verringerten sich im gestörten Gebiet, folgend den Änderungen in der SOC- und Nährstoffverfügbarkeit sowie der Vergrößerung des wassergefüllten Porenraumes. Dies spiegelt jedoch nicht eine Verringerung der Netto-Ökosystememissionen von CO2 nach Störung durch Holzeinschlag wider. Wir stellten erhöhte N2O-Emissionen des Bodens, hauptsächlich ausgehend von den Rückegassen fest. Die CH4 -Bodenemissionen im gestörten Gebiet waren siebenmal höher als der Verbrauch im ungestörten Referenzbereich. Änderungen der N2O- und CH4-Flüsse im Boden wurden hauptsächlich durch die Verfügbarkeit von Bodenstickstoff und dem wassergefülltem Porenraum gesteuert. Auf Ebene des geernteten Waldes sanken die CO2-Emissionen des Bodens und die Aufnahme von CH4 um 1,3 bzw. 36%, während die N2O-Emissionen um 3,3% anstiegen, im Vergleich zu ungestörtem Wald bei CL und RIL. Die in dieser Dissertation vorgestellten Ergednisse zeigen, dass der selektive Holzeinschlag geringer Intensität ein nachhaltiger Weg zur Bewirtschaftung von Tropenwald sein kann, wenn dieser mit einer ausreichenden Umtriebszeit verbunden ist. Wie im Synthesekapitel erläutert, können eine Erhöhung der Holzernteintensität und häufiger Holzeinschlag die Bodenstörung verstärken und somit die Veränderungen der Bodeneigenschaften und Treibhausgasflüsse in abgeholzten Wäldern verstärken. Dies deutet darauf hin, dass, obwohl CL mit niedriger Intensität zunächst mit RIL vergleichbar ist, wiederholte Holzeinschläge den CL-Wald einer größeren Degradation aussetzen können.
 
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