Áhrif landgræðsluaðgerða á Rangárvöllum á gróðurfar og kolefnisflæði

Við gróður- og jarðvegseyðingu tapast mikið af jarðvegskolefni (C). Við uppgræðslu og endurheimt á rofnu landi eykst gróðurþekja aftur og búast má við því að C taki aftur að bindast í jarðvegi. Þessi rannsókn var hluti af stærra rannsóknarverkefni sem hét KolBjörk. Það var samstarfsverkefni nokkurra stofnana sem fjallaði um þróun lífríkis, kolefnisbindingu og breytingar á ýmsum öðrum jarðvegsþáttum við landgræðslu og endurheimt birkiskóga á röskuðum svæðum á Rangárvöllum og Landssveit. Meginmarkmið þessarar ritgerðar var að kanna breytingar á gróðurfari og kolefnisflæði á rofnu landi, á uppgræddu landi og í misgömlum birkiskógum. Nánar tiltekið í: i) rofnu gróðursnauðu landi, ii) 40 ára uppgræðslum með grassáningu og áburðargjöf, iii og iv) tveim ungum landgræðsluskógum og v) gamalgrónum birkiskógi. Öll rannsóknarsvæðin voru staðsett í landgræðslugirðingunni í Bolholti nema v) sem var í Hraunteig, í landi Hóla og Næfurholts. Við mælingar á kolefnisflæði var að mestu notast við 12 sjálfvirkar mælistöðvar (ACE) sem mæla flæði kolefnis til og frá vistkerfinu. Þetta var í fyrsta skipti sem slík tæki voru notuð á Íslandi. Vegna bilunar mældu tækin „hlutfallslega upptöku eða losun“ en ekki eiginlegt flæði í mg eða μmol CO2. Vegna þessa eru eftirfarandi niðurstöður birtar án eininga. Kolefnisupptaka (GPP) var mjög lítil í rofna ógróna landinu, eða 0,08, en hún jókst eftir 40 ára uppgræðslu upp í 0,23. Þar sem birkiskógar höfðu verið endurheimtir á uppgræddu landi var upptakan lítið eitt hærri, eða 0,57 og 0,30 í 10 og 20 ára skógunum. Hraði GPP var mestur í gamla skóginum í Hraunteig eða 1,00. Þarna var bara um upptöku botngróðursins að ræða og það þarf að áætla upptöku trjánna sjálfra til að fá heildarupptöku vistkerfisins í skógunum. Vistkerfisöndun (Re) var umtalsvert hærri á uppgrædda landinu miðað við það rofna, eða 0,64 miðað við 0,13. Þar sem landgræðsluskógar höfðu verið ræktaðir á uppgræddu landi þá jókst Re lítillega, eða upp í 0,86 og 0,76 í 10 og 20 ára landgræðsluskógunum. Re var svo langhæst í gamla náttúrulega birkiskóginum í Hraunteig eða 2,36. Þegar breytingar í Re voru bornar saman við ýmsa umhverfiþætti kom í ljós að jarðvegshiti (Ts) var sterkasta stýribreytan á rofnu og uppgræddu landi. Aftur á móti minnkuðu áhrif hans eftir því sem skógarnir urðu eldri, en þá fóru aðrar breytur, svo sem vatnsinnihald, að hafa meiri áhrif. vi Kolefnisjöfnuður (NEE) rofna landsins sýndi að rofna vistkerfið var í neikvæðum jöfnuði. Það er, mun meira kolefni var að tapast úr jarðvegi þess en að bindast í gegnum rýra gróðurþekjuna. Það sama átti sér stað á uppgrædda landinu, en þar var meira kolefni að tapast en bindast. Hlutfallið var þó lægra þar, þ.e. hlutfallslega minna tapaðist miðað við upptökuna. NEE skóganna gilti eingöngu fyrir upptöku botngróðurs á móti losun jarðvegs, botngróðurs og trjáróta. Þar vantaði mælingar á upptöku trjánna og öndun þeirra ofanjarðar svo að NEE gilti fyrir allt vistkerfið. Almennt hækkaði þó NEE skóganna (nettó-losun lækkaði) frá uppgrædda landinu yfir í gamla birkiskóginn. Það að kolefnisjöfnuður rofna og uppgrædda landsins var neikvæður kom verulega á óvart. Við nánari rannsóknir kom í ljós að mikið magn af lífrænu jarðvegskolefni var í dýpri jarðlögum rofsvæðanna í Bolholti. Jafnframt kom í ljós að marktæk aukning var á C í efstu lögum jarðvegsins á uppgrædda svæðinu. Það var því nánast örugglega lífrænt C í eldri, dýpri, jarðlögum sem grafist hafði undir sandi á rofsvæðunum sem var að brotna niður og gefa frá sér CO2. Það var athyglisvert að hlutfallið á milli RE og GPP lækkaði með aldri uppgræðslusvæðanna og benti það eindregið til að vistkerfin væru smátt og smátt að færast í átt til nettó-kolefnisbindingar eftir landgræðsluna. Það skal ítrekað að það vantaði upptöku trjánna svo að túlka megi NEE skóganna sem vistkerfisjöfnuð. Ekki er ólíklegt að þau svæði hafi verið komin í nettó-upptöku með ljóstillífun trjálagsins. Niðurstöðurnar sýndu það að stunda landgræðslu á rofsvæðum dregur úr nettó-losun þeirra. Þessi rannsókn sýnir að þrátt fyrir að mælanleg kolefnisbinding sé í efstu 20 cm jarðvegs á slíkum rofsvæðum, getur vistkerfið allt verið í neikvæðum jöfnuði. Það veltur væntanlega á magni lífræns efnis sem grafið er í og undir rofefnunum hvort NEE nær að verða jákvætt. Það er þó mikilvægt að halda því til haga að út frá loftslagsáhrifum landgræðslu þá er það jafn gagnlegt að draga úr heildarlosun slíkra svæða, óháð því hvort sú breyting nægir til að gera NEE jákvætt eður ei. Að þessu leiti má líkja áhrifum landgræðslu á kolefnisjöfnuð rofsvæða við áhrif endurheimtar framræstra votlenda. Hvoru tveggja getur í vissum tilfellum dregið verulega úr losun, án þess að vistkerfið komist endilega í nettó-upptöku.Following severe erosion episodes alot of organic soil is lost and thus a considerable amount of soil organic carbon (SOC). Following revegetation of eroded lands, vegetation cover will increase and SOC will start to accumulate again. This study was a part of a larger research project named CarbBirch (KolBjörk), which was a collaborative project that focused on ecosystem development on eroded areas at Rangárvellir and Landsveit in S-Iceland. The main aim of this thesis was to evaluate vegetation changes and carbon fluxes on: i) eroded land, ii) land revegetated 40 years ago by application of inorganic fertilizer and grass seeds, iii and iv) where the revegetated areas were afforested by downy birch (Betula pubescens) 20 and 10 years ago and v) old-growth downy birch forest. All study sides were located in Rangárvellir in South Iceland, at Bolholt and at Hraunteigur (the old-growth forest). For the measurements of carbon fluxes, 12 automatic soil CO2 exchange systems (ACE) were used. This was the first time this kind of a system was used in Iceland. Because of technical problem the systems only measured relative flux intensities, but not absoulute amounts of CO2 in mg or μmol. Therefore the following results are given without any units. The carbon uptake (GPP) was very low in the eroded unvegetated land, or 0.08, compared to 0.23 on revegetated land. Where birch had been planted 10 and 20 year ago, the GPP was 0.57 and 0.30, respectively. GPP was highest in the old-growth forest or 1.00. It should be kept in mind that in the three forest ecosystems, the GPP was only measured for the understory, not the tree layer. Ecosystem respiration (Re) was much lower in the eroded land compared to revegetated land, or 0.13 compared to 0.64, respectively. The two afforested areas had Re (from soil and understory) of 0.86 and 0.76 for the 10 and 20 year old plantations, respectively. Re was highest in the old-growth birch woodland or 2.36. When different environmental factors were compared to within-site variation in Re at eroded and revegetated sites, it was clear that soil temperature (Ts) was the strongest control variable. The Ts control and other variables, such as water content, became gradually more important as the forest ecosystems became older. viii Net Ecosystem Exchange (NEE) of the eroded land was negative. Meaning that more CO2 was released to the atmosphere than was taken up by photosynthesis. The same was true for the revegetated land, but there both more CO2 was being released and taken up. Generally, NEE increased (became less negative) with age of the afforested birch woodlands and the old-growth birch forest. Again, since the tree layer was not included in the measurements, the NEE of the forests was not valid for the whole ecosystem. It came as a surprice that the NEE was negative for both the eroded and revegetated site. A further study at the eroded site in Bolholt showed that SOC was highest in deeper soil layers. Furthermore, it showed that SOC was indeed acculating in the topmost layers of the soil, although it was still losing CO2 on average from the whole ecosystem. It is almost certain that this was caused by older soil layers that had been covered by layers of eroding sand, which was still decomposing and emitting CO2. It was also noteworthy that the ratio between Re and GPP decreased both with revegetation and with the age of afforestation on revegetated land. Therefore the ecosystems were gradually moving towards a net-carbon sequestration after the revegetation efforts started. Again, it should be noted that there measured NEE of the forests was missing the tree layer. It is likely that the forest ecosystems would have had a positive NEE balance, if tree photosynthesis would have been included. The results show that net-emission of CO2 was decreased when eroded surfaces were revegetated. It also showed that even if there was a measured increase of SOC in the top 20 cm of eroded soil in the revegetated areas, the whole ecosystem was in a negative CO2 balance. It is, however, important to point out that it is as good from the atmospheric point of view to decrease the net-emission of CO2 as to increase net-CO2 uptake. Revegetation in eroded areas with buried organic soil layers is comparable to restoration of drained wetlands to mitigate CO2 emission; both efforts can significantly reduce the net emissions without necessarily turning the ecosystems into net-CO2 sequesters.Umhverfis- og orkurannsóknarsjóður Orkuveitu Reykjavíkur, Nýsköpunarsjóður námsmanna, Landgræðslusjóður, Nordic Centre of Advanced Research on Environmental Services (CAR-ES), Forest Soil Carbon-sink Nordic Network (FSC-Sink), Landbúnaðarháskóli Íslands og Landgræðsla ríkisins