Impacts of indigenous and exotic tree species on ecosystem services : Case study on the mountain cloud forests of Taita Hills, Kenya

Although forest ecosystems are crucial for human survival they are constantly under threat from human interventions and natural disasters which reduce their capacities to effectively provide ecosystem services. As populations increase, incidences of forest encroachments become frequent to affect the provision of the services. The objective in this study was to assess some ecosystem benefits and to determine how the local communities used and value them. The benefits assessed were floristic diversity; biomass and soil organic carbon densities; and suitability of indigenous tree species for forest rehabilitation based on soil properties in four different forest types, indigenous and plantations of cypress, eucalypt and pine in Taita Hills, Kenya. The perceptions of local community regarding how they use and value these benefits were also assessed. The conceptual framework was based on the Millennium Ecosystem Assessment. Sampling design was based on a US Forest Service model used in the indigenous forests. For each forest area and forest type, a minimum of four plots were randomly selected and a total of 77 plots from 38 groups were sampled. In each plot, all juvenile trees of 5 cm or more in diameter at breast height were sampled for floristic diversity, biomass carbon stock and vegetation-soil relationship assessments. Soils were sampled at, 0-20 and 20-50 cm, for chemical and physical analyses to determine the soil organic carbon densities and vegetation-soil relationships. Tree species diversity, carbon densities derived from biomass and soil data were analyzed quantitatively. A qualitative analysis was done for the socio-economic part of the study, from data obtained using selected participatory rural appraisal tools and semi-structured questionnaires. Biodiversity analyses were accomplished using the Shannon-Weaver s Index. to assess the tree species composition. Tree biomass was estimated from allometric functions developed for tropical forests while soil organic carbon stocks were computed as a product of the analyzed carbon contents and bulk density values estimated using a pedotransfer function and measured particle size. Soil-vegetation relationships were determined by Principal Component Analysis, using CANOCO 4.5 software. The statistical analyses were accomplished by use of three versions of SPSS software for Windows (15, 16 and 20). The study established that indigenous forest was more diverse than plantations and regeneration of indigenous species significantly higher in exotic plantations of the most disturbed area than in the less disturbed areas. Some indigenous species correlated with sodium, phosphorus, carbon, pH and soil texture while some had no correlation with soil variables. Factors unrelated to soil variables, namely gaps were found to be important for the emergence and early establishment of seedlings. Total biomass C densities were generally higher in indigenous forest than in some exotic plantations, especially the cypress. Indigenous forest also had higher soil carbon stocks than plantations of exotic species. Community survey showed perceptions that exotics plantations contributed reductions of the forests to provide water and medicinal plants. Therefore, they are motivated to rehabilitate the forest by planting indigenous tree species. This study concluded that indigenous forest valuable for ecosystem services and that soil-vegetation relationships established be utilized along with soil analyses to select indigenous species to be planted in certain areas for rehabilitation. Such rehabilitation will enhance the floristic diversity and carbon sequestration and storage and therefore, contribute to restoration of the ecosystem services. Therefore, the initiated reforestation exercises with indigenous tree species to replace the exotic tree species are well justified. Key Words: Floristic diversity, biomass, carbon stocks, plantation, indigenous forest, Principal Component AnalysisMetsien tarjoamat ekosysteemipalvelut ovat ihmiselle välttämättömiä mutta jatkuvasti uhattuja sekä ihmisen toiminnan että luonnon omien häiriötekijöiden vuoksi. Metsien liikakäyttö sekä niiden puutteellinen suojelu ja hoito vähentävät niiden kykyä tuottaa ekosysteemipalveluja. Keniassa ja muissa Afrikan maissa, joissa metsät ovat pääosin valtion omistuksessa, niiden kunnollinen hoito puuttuu usein kokonaan voimavarojen vähyyden vuoksi. Silloin kun paikallisyhteisöille ei ole annettu metsien käyttöoikeuksia, seurauksena on säännöllisesti laiton hakkuu ja lopulta metsien raivaus maatalousmaaksi. Sääolojen ja muiden ympäristötekijöiden vaihtelun haitalliset vaikutukset metsiin voivat myös olla huomattavia; näiden vaikutusten odotetaan lisääntyvän tulevaisuudessa. Tässä tutkimuksessa selvitettiin neljän erityyppisen metsän ekologisia ja paikallisyhteisön toimeentuloon liittyviä vaikutuksia Taitavuorilla Keniassa. Kohteena olivat vuoriston alkuperäiset pilvimetsät sekä puuviljelmät, joissa istutettuna lajina oli eukalyptus, mänty tai sypressi. Tavoitteena oli määritellä metsien ekosysteemipalvelujen tuottamat hyödyt sekä arvioida näiden hyötyjen merkitys paikallisyhteisöille. Erityisesti pyrittiin mittaamaan puulajiston monimuotoisuus ja orgaanisen hiilen määrä puiden biomassassa ja maaperässä. Lisäksi tutkittiin paikallisten puulajien soveltuvuutta metsien ennallistamiseen selvittämällä niiden riippuvuus maaperätekijöistä ja ottaen huomioon paikallisyhteisön metsien tuottamiin hyötyihin kohdistuneet odotukset. Tutkimuksen viitekehyksen muodosti YK:n globaali ekosysteemiarviointi (Millennium Ecosystem Assessment), ja maastomittausten mallina oli samalla alueella aikaisemmin käytetty, Yhdysvaltojen metsähallinnon kehittämä otantamenetelmä. Kaikkiaan mitattiin 77 maastokoealaa 38 otantapisteestä. Jokaiselta koealalta luettiin ja mitattiin kaikki 5 cm:n läpimitan täyttäneet puut lajidiversiteetin ja biomassan määritystä varten. Erikseen tutkittiin maaperän ominaisuudet kullakin koealalla 0-20 cm:n ja 20-50 cm:n kerroksista. Paikallisyhteisön metsiin kohdistuneet odotukset selvitettiin haastattelututkimuksin soveltaen osallistavan arvioinnin menetelmiä. Puiden lajidiversiteetti mitattiin Shannon-Weaver-indeksillä, ja puiden biomassan mittauksessa käytettiin hyväksi trooppisille puulajeille kehitettyjä tilavuusmalleja. Maaperän orgaanisen hiilen kokonaismäärä saatiin maan hiilipitoisuudesta ja muuntomallin avulla lasketusta tilavuuspainosta ottaen huomioon mitatut hiukkaskoot. Puulajiston riippuvuutta maaperätekijöistä tutkittiin käyttäen valmiita laskentamalleja. Odotetusti alkuperäisessä metsässä oli suurin puulajidiversitetti. Vieraiden lajien muodostamissa puuviljelmissä todettiin kuitenkin nopein paikallisten puulajien uudistuminen, erityisesti silloin kun nämä viljelmät olivat voimakkaiden häiriötekijöiden vaikutuksen alaisia. Useiden luontaisten puulajien taimien runsauden todettiin positiivisesti korreloituvan maan natrium- ja fosforipitoisuuden sekä emäksisyyden kanssa ja riippuvan myös maan hiukkaskokojakautumasta. Toisaalta monien alkuperäisten lajien kohdalla tällaista riippuvuutta ei pystytty osoittamaan, mutta sen sijaan latvuston aukkoisuus näytti yleisesti edistävän taimettumista. Orgaanisen hiilen kokonaismäärä puiden biomassassa ja maaperässä oli suurempi luontaisessa metsässä kuin puuviljelmissä, ja työssä pohdittiin tähän vaikuttaneita tekijöitä. Paikalliset asukkaat pitivät vieraita puulajeja syynä metsien ekosysteemipalvelujen kuten lääkekasvien ja veden vähenemiseen. Tämä oli myös pontimena paikallisten lajien käyttöön metsien ennallistamiseen tähtäävässä puiden istuttamisessa. Verrattuna vieraiden puulajien viljelmiin alkuperäistä metsää arvostettiin enemmän ekosysteemipalvelujen tuottajana. Työssä todettiin kuitenkin myös, että jos paikalisyhteisöllä olisi täysi oikeus metsien hoitoon ja käyttöön, puuviljelmienkin arvostus voisi lisääntyä huomattavasti. Puuviljelmien on aikaisemmissa tutkimuksissa myös todettu nopeuttavan tuhotun luonnonmetsän ennallistamista. Maaperätekijöiden ja alkuperäisten puulajien uudistumisherkkyyden välillä nyt todettua riippuvuutta voidaan käyttää hyväksi valittaessa sopivia istutettavia lajeja sellaiseen metsien ennallistamiseen joka edistäisi puulajiston monimuotoisuutta sekä samalla hiilen sitoutumista ja orgaanisen hiilen varaston muodostumista. Tämä palauttaisi menetettyjä ekosysteemipalveluja ja antaisi perusteet jatkaa käynnissä olevaa alkuperäisten puulajien istuttamista