Tropical forest conversion to rubber and oil palm plantations: landscape-scale and inter-annual variability of soil greenhouse gas (GHG) fluxes and the contribution of tree-stem emissions to the soil GHG budget in Jambi province, Sumatra, Indonesia

Koks, Josephus

by Josephus Koks

Doctoral thesis

Date of Examination:2019-12-12

Date of issue:2020-07-01

Advisor:Prof. Dr. Edzo Veldkamp

Referee:Prof. Dr. Alexander Knohl

Referee:Prof. Dr. Heinz Flessa

Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-8070

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Abstract

English

Deforestation rates have rapidly increased over the last two decades in Sumatra, Indonesia, where large areas of lowland rainforest have now been converted into the monoculture plantation types of oil palm (Elaeis guineensis) and rubber (Hevea brasiliensis). The high global demand for palm oil and latex is continuously pushing expansion of this forest-to- plantation conversion and might even increase in the next decades. Land-use conversion is known to influence the soil-atmosphere exchange of the climate-relevant greenhouse gases (GHG) nitrous oxide (N2O), methane (CH4) and carbon dioxide (CO2). Despite the extensive land-use conversion in Sumatra, long-term studies quantifying soil GHG fluxes from these land-use types are sparse. The few studies on soil GHG fluxes with year-round measurements from oil palm and rubber plantations on mineral soils in Sumatra have limitations for spatial and temporal extrapolations, as they were mainly conducted on well-drained sites of the landscape and did not cover the spatial heterogeneity (e.g. topography-driven redistribution of water and solutes) that influences soil GHG emission and uptake processes, and neither accounted for inter-annual variation in GHG fluxes related to different precipitation quantities. Furthermore, recent studies have revealed plant-mediated transport of GHG can contribute substantially to the total (soil + plant) GHG fluxes from an ecosystem. Stem- emitted GHG are currently largely unquantified in a majority of ecosystems and have never been measured in Sumatra. The present thesis tries to fill these gaps by accounting for 1) landscape-heterogeneity-driven variability in soil GHG fluxes by including riparian areas: zones between well-drained sites and lower located positions, under strong influence of water, known to be hotspots of biogeochemical processes; 2) temporal variability in soil GHG fluxes by measuring another annual cycle of GHG fluxes from the same plots measured four years ago; and 3) the contributions of stem GHG emissions to total (soil + stem) GHG fluxes. We conducted our study in Jambi province, Sumatra, Indonesia, a region subject to large forest conversion. We have measured N2O, CH4 and CO2 fluxes from soils and stems in lowland forest (reference land use), as well as in smallholder oil palm and rubber plantations (conversion land uses). Fluxes were measured with soil and stem chambers between March 2017 – March 2018. The first study aimed to quantify N2O and CH4 fluxes from stems and N2O, CH4 and CO2 fluxes from soils in oil palm plantations located on riparian areas, and to assess their controlling factors. Annual stem N2O and CH4 fluxes were (g ha-1 yr-1; mean ± SE) 12 ± 4 and 99 ± 46, respectively, and soil N2O, CH4 and CO2 fluxes (kg ha-1 yr-1; mean ± SE) were 3.4 ± 0.3, 0.7 ± 0.1 and 11092 ± 264, respectively. Stems contributed 3.0 – 14.7 % of the total (soil + stem) GHG fluxes. Stem GHG fluxes correlated with water-filled pore space (WFPS), soil- air GHG concentrations and vapor pressure deficit, which suggested stem-emitted GHG were soil-borne. Soil N2O fluxes correlated with NO3- content, whereas soil CH4 fluxes correlated with soil moisture content, and soil CO2 fluxes displayed an exponential relationship with soil moisture content. This study showed that at riparian areas, the combination of high mineral N content and high WFPS can lead to relatively high stem and soil N2O emissions, whereas a high WFPS can lead to net soil CH4 emissions. The second study aimed to quantify N2O, CH4 and CO2 fluxes of soils and N2O and CH4 fluxes from stems from forest and rubber plantations located on riparian areas, to assess their controlling factors and to determine the effect of land-use change. Net soil N2O, CH4 and CO2 fluxes (kg ha-1 yr-1; mean ± SE) in forest were 1.1 ± 0.5, 1.7 ± 1.2 and 11700 ± 500, respectively, and in rubber plantations 0.8 ± 0.3, -0.5 ± 0.1 and 12700 ± 1300, respectively, and net fluxes did not differ between land uses (P ≥ 0.12). Annual stem N2O and CH4 fluxes in the forest were (g ha-1 yr-1; mean ± SE) 4 ± 1 and 150 ± 8, respectively, and 5 ± 1 and 110 ± 4 in the rubber plantations, respectively, and did not differ between land uses either (P ≥ 0.24). The WFPS was the most important factor controlling N2O, CH4 and CO2 fluxes from forest and rubber plantations on riparian sites, which might have overruled the influence of variability in soil characteristics due to land-use change, and that stems contributed significantly to the total (soil + stem) GHG fluxes. The third study aimed to quantify inter-annual variation in soil N2O, CH4, and CO2 fluxes as a result of inter-annual changes in precipitation and management practices. In 2017/2018, we measured one year of soil N2O, CH4 and CO2 fluxes from forest, oil palm and rubber plantations across two landscapes (clay and loam Acrisol soils) by soil chambers and compared these with measurements at the same locations in 2012/2013. In general, annual soil N2O and CH4 fluxes did not show differences between years, whereas annual soil CO2 fluxes were lower in 2017 than in 2013 for most land uses across both landscapes. A decreased WFPS in 2017 as a result of a decrease in precipitation of 30 % was the main driver of these differences, showing that changes in annual precipitation can lead to changes in soil-emitted GHG. Our studies showed 1) that neglecting increased soil GHG fluxes from riparian areas, as well as contributions of stems, might lead to significant underestimation in GHG fluxes, 2) that soil GHG fluxes might vary inter-annually, and 3) that the effects of land-use change on GHG fluxes can be more pronounced at riparian areas. Therefore, it is important to include the effect of spatial and temporal variation of GHG-flux controlling factors on soil and stem GHG fluxes, as well as to cover the different components involved on ecosystem-level (soils and stems) in future GHG flux studies, as it would provide us more specific information for improved predictions in global atmospheric GHG concentrations.

Keywords: Greenhouse; Methane; Carbon dioxide; Nitrous oxide; Soil; Land use change; Indonesia; Oil palm; Rubber

German

Die Entwaldung hat sich über die letzten Jahrzehnte auf Sumatra (Indonesien) weit verbreitet – große Flächen von Tieflandregenwald wurden dort in Palmöl (Elaeis guineensis)- und Kautschuk (Hevea brasiliensis)-Monokulturplantagen umgewandelt. Die hohe globale Nachfrage nach Palmöl und Kautschuk wird in den nächsten Jahrzehnten zur Fortsetzung und möglicherweise sogar zur Zunahme dieser Umwandlung führen. Landnutzungsänderungen beeinflussen den Boden-Atmosphäre-Austausch der klimarelevanten Spurengase Distickstoffmonoxid (N2O), Methan (CH4) und Kohlenstoffdioxid (CO2). Trotz der umfangreichen Landnutzungsänderungen auf Sumatra gibt es kaum Langzeitstudien, welche die Boden-Spurengasflüsse quantifizieren. Die wenigen ganzjährigen Studien zu Spurengasflüssen von Palmöl- und Kautschukplantagen auf mineralischen Böden in Sumatra haben ihre Grenzen, da sie nur auf gut entwässerten Böden stattfanden und keine jährlichen Variationen in Betracht ziehen. Sowohl räumliche Heterogenität (z.B. topografiegesteuerte Umverteilung von Wasser und gelösten Stoffen), die die Boden-Spurengas-Emissionen und - Aufnahme beeinflussen, als auch jährliche Variationen, aufgrund von Änderungen in der Quantität des Niederschlags, können signifikanten Einfluss auf Spurengasflüsse nehmen. Außerdem haben neuere Studien gezeigt, dass der pflanzengeleitete Transport von Spurengasen substanziell zu den Gesamt (Boden und Stamm)-Spurengasflüssen eines Ökosystems beitragen kann. Stammemittierte Spurengasflüsse sind derzeit nur wenig quantifiziert und wurden bisher nicht auf Sumatra gemessen. Diese Doktorarbeit versucht diese Lücke zu schließen. Dies geschieht durch 1) Messungen von Spurengasflüssen von sowohl gut entwässerten Böden als auch Uferflächen [„riparian sites“], Zonen zwischen gut entwässerten und niedrig positionierten Flächen, die stark von Wasser beeinflusst sind und deswegen bekannte Hotspots biogeochemischer Prozesse sind; 2) Messungen temporärer und zwischenjährlicher Variabilität von Spurengasflüssen, indem bereits 2013 gemessene Probeflächen nochmal ein Jahr gemessen wurden; und 3) Messungen der Gesamt- Spurengasflüsse von Stämmen. Wir haben unsere Studien in der Provinz Jambi, Sumatra, Indonesien durchgeführt, einer Region, die für ihre große Entwaldung bekannt ist. Wir haben N2O-, CH4- und CO2-Flüsse von Böden und Stämmen im Tieflandregenwald (Referenzlandnutzung), sowie auf Palmöl- und Kautschuk-Plantagen von Kleinbauern (umgewandelte Landnutzung) gemessen. Die Flüsse wurden mit Boden- und Stammhauben zwischen März 2017 und März 2018 gemessen. Das Ziel der ersten Studie war die Quantifizierung von N2O-, CH4- und CO2- Flüssen von Stämmen und Böden in Ölpalmplantagen auf Uferflächen, sowie die Bewertung der beeinflussenden Faktoren. Jährliche Stamm-N2O- und CH4-Flüsse umfassten (g ha-1 yr-1; Mittelwert ± Standard Fehler) jeweils 12 ± 4 und 99 ± 46 und Boden-N2O-, CH4- und CO2- Flüsse (kg ha-1 yr-1; MW ± SF) waren jeweils 3.4 ± 0.3, 0.7 ± 0.1 und 11092 ± 264. Stämme trugen mit 3.0 – 14.7 % zu den Gesamtspurengasflüssen bei. Sie korrelierten mit Bodenfeuchte, Boden-Luft-Konzentration und Dampfdruckdefizit, was darauf hinweist, dass der Boden Ursprung der stammemittierten Spurengasflüsse war. Boden-N2O korrelierte mit NO3- Gehalt, während Boden-CH4-Flüsse mit Bodenfeuchte korrelierten und CO2-Flüsse zeigten ein exponentielles Verhältnis zu Bodenfeuchte. Diese Studie zeigte, dass die Kombination von hohem mineralischem N-Gehalt und höherer Bodenfeuchte zu relativ hohen Stamm- und Boden-N2O-Emissionen führten, sowie hohe Bodenfeuchte zu Netto-Boden- CH4-Emission führte. Das Ziel der zweiten Studie war die Quantifizierung von N2O-, CH4- und CO2- Flüssen von Böden und Stämmen in Wald- und Kautschukplantagen auf Uferflächen, sowie die Bewertung der bestimmenden Faktoren und die Bestimmung des Effekts der Landnutzungsänderung. Netto-Boden-N2O-, CH4- und CO2-Flüsse (kg ha-1 yr-1; MW ± SF) in Waldflächen waren jeweils 1.1 ± 0.5, 1.7 ± 1.2 und 11700 ± 500 und in Kautschukplantagen jeweils 0.8 ± 0.3, -0.5 ± 0.1 und 12700 ± 1300. Nettoflüsse waren vergleichbar zwischen beiden Landnutzungssystemen (P ≥ 0.12). Netto-Stamm-N2O- und CH4-Flüsse im Wald betrugen (g ha-1 yr-1; MW ± SF) jeweils 4 ± 1 und 150 ± 8, sowie jeweils 5 ± 1 und 110 ± 4 in den Kautschukplantagen und waren vergleichbar zwischen beiden Landnutzungssystemen (P ≥ 0.24). Diese Studie zeigte, 1) dass Bodenfeuchte der wichtigste bestimmende Faktor für N2O-, CH4- und CO2-Flüsse auf Uferflächen in Wald und Kautschukplantagen war und damit potenziell den Einfluss der Variabilität der Bodencharakteristika nach der Landnutzungsänderung ausschließt, sowie, 2) dass Stämme signifikant zu den Gesamt (Boden + Stamm)-Spurengasflüssen beitragen. Das Ziel der dritten Studie war die Quantifizierung der jährlichen Variation in Boden-N2O-, CH4- und CO2-Flüsse durch jährliche Änderungen in der Quantität von Niederschlag und Managementpraktiken. In 2017/2018, haben wir Boden N2O-, CH4- und CO2-Flüsse von Wald, Palmöl- und Kautschukplantagen in zwei Landschaften (mit ton- bzw. lehmhaltigem Acrisol-Böden) mit Bodenhauben gemessen und diese mit Messungen von 2012/2013 verglichen. Im Allgemeinen zeigten Boden N2O- und CH4-Flüsse keine Unterschiede zwischen beiden Jahren, wobei Boden CO2-Flüsse in den meisten Landnutzungssystemen beider Landschaften 2017 geringer waren als 2013. Eine Reduktion der Bodenfeuchte von circa 30 %, auf Grund von vermindertem Niederschlag 2017, war Haupttreiber dieser Unterschiede, was uns zeigte, dass Änderungen in der jährlichen Quantität des Niederschlags zu einer jährlichen Änderung in Spurengasflüssen führen kann. Unsere Studien zeigten zusammenfassend, dass 1) die Vernachlässigung von sowohl erhöhten Spurengasflüssen von Uferflächen, als auch der Beiträge der Stämme zu einer signifikanten Unterschätzung von Spurengasflüssen führen kann, dass 2) Spurengasflüsse jährlich unterschiedlich sein können und, dass 3) auf Uferflächen die Effekte der Landnutzungsänderungen verstärkt auf Spurengasflüsse Einfluss nehmen können. Daher ist es wichtig, dass die räumliche und zeitliche Variabilität von spurengasbeeinflussender Faktoren, sowie Stammspurengasflüsse in zukünftige Studien aufgenommen werden, damit spezifischere Informationen zur Verfügung stehen, um globale atmosphärische Spurengaskonzentrationen besser vorhersagen zu können.

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