Tropical dryland agroforestry on clay soils: : Analysis of systems based on Acacia senegal in the Blue Nile region, Sudan

Acacia senegal, the gum arabic producing tree, is the most important component in traditional dryland agroforestry systems in the Blue Nile region, Sudan. The aim of the present study was to provide new knowledge on the potential use of A. senegal in dryland agroforestry systems on clay soils, as well as information on tree/crop interaction, and on silvicultural and management tools, with consideration on system productivity, nutrient cycling and sustainability. Moreover, the aim was also to clarify the intra-specific variation in the performance of A. senegal and, specifically, the adaptation of trees of different origin to the clay soils of the Blue Nile region. In agroforestry systems established at the beginning of the study, tree and crop growth, water use, gum and crop yields, nutrient cycling and system performance were investigated for a period of four years (1999 to 2002). Trees were grown at 5 x 5 m and 10 x 10 m spacing alone or in mixture with sorghum or sesame; crops were also grown in sole culture. The symbiotic biological N2 fixation by A. senegal was estimated using the 15N natural abundance (δ15N) procedure in eight provenances collected from different environments and soil types of the gum arabic belt and grown in clay soil in the Blue Nile region. Balanites aegyptiaca (a non-legume) was used as a non-N-fixing reference tree species, so as to allow 15N-based estimates of the proportion of the nitrogen in trees derived from the atmosphere. In the planted acacia trees, measurements were made on shoot growth, water-use efficiency (as assessed by the δ13C method) and (starting from the third year) gum production. Carbon isotope ratios were obtained from the leaves and branch wood samples. The agroforestry system design caused no statistically significant variation in water use, but the variation was highly significant between years, and the highest water use occurred in the years with high rainfall. No statistically significant differences were found in sorghum or sesame yields when intercropping and sole crop systems were compared (yield averages were 1.54 and 1.54 ha-1 for sorghum and 0.36 and 0.42 t ha-1 for sesame in the intercropped and mono-crop plots, respectively). Thus, at an early stage of agroforestry system management, A. senegal had no detrimental effect on crop yield, but the pattern of resource capture by trees and crops may change as the system matures. Intercropping resulted in taller trees and larger basal and crown diameters as compared to the development of sole trees. It also resulted in a higher land equivalent ratio. When gum yields were analysed it was found that a significant positive relationship existed between the second gum picking and the total gum yield. The second gum picking seems to be a decisive factor in gum production and could be used as an indicator for the total gum yield in a particular year. In trees, the concentrations of N and P were higher in leaves and roots, whereas the levels of K were higher in stems, branches and roots. Soil organic matter, N, P and K contents were highest in the upper soil stratum. There was some indication that the P content slightly increased in the topsoil as the agroforestry plantations aged. At a stocking of 400 trees ha-1 (5 x 5 m spacing), A. senegal accumulated in the biomass a total of 18, 1.21, 7.8 and 972 kg ha-1of N, P, K and OC, respectively. Trees contributed ca. 217 and 1500 kg ha-1 of K and OC, respectively, to the top 25-cm of soil over the first four years of intercropping. Acacia provenances of clay plain origin showed considerable variation in seed weight. They also had the lowest average seed weight as compared to the sandy soil (western) provenances. At the experimental site in the clay soil region, the clay provenances were distinctly superior to the sand provenances in all traits studied but especially in basal diameter and crown width, thus reflecting their adaptation to the environment. Values of δ13C, indicating water use efficiency, were higher in the sand soil group as compared to the clay one, both in leaves and in branch wood. This suggests that the sand provenances (with an average value of -28.07 ) displayed conservative water use and high drought tolerance. Of the clay provenances, the local one (Bout) displayed a highly negative (-29.31 ) value, which indicates less conservative water use that resulted in high productivity at this particular clay-soil site. Water use thus appeared to correspond to the environmental conditions prevailing at the original locations for these provenances. Results suggest that A. senegal provenances from the clay part of the gum belt are adapted for a faster growth rate and higher biomass and gum productivity as compared to provenances from sand regions. A strong negative relationship was found between the per-tree gum yield and water use efficiency, as indicated by δ13C. The differences in water use and gum production were greater among provenance groups than within them, suggesting that selection among rather than within provenances would result in distinct genetic gain in gum yield. The relative δ15N values ( ) were higher in B. aegyptiaca than in the N2-fixing acacia provenances. The amount of Ndfa increased significantly with age in all provenances, indicating that A. senegal is a potentially efficient nitrogen fixer and has an important role in t agroforestry development. The total above-ground contribution of fixed N to foliage growth in 4-year-old A. senegal trees was highest in the Rahad sand-soil provenance (46.7 kg N ha-1) and lowest in the Mazmoom clay-soil provenance (28.7 kg N ha-1). This study represents the first use of the δ15N method for estimating the N input by A. senegal in the gum belt of Sudan. Key words: Acacia senegal, agroforestry, clay plain, δ13C, δ15N, gum arabic, nutrient cycling, Ndfa, Sorghum bicolor, Sesamum indicum

Metsämaan vesitaseen muutokset Suomessa ilmaston muuttuessa

Muuttuva ilmasto, erityisesti kohoava lämpötila ja hiilidioksidipitoisuus, ei voi olla vaikuttamatta metsien kasvuun Suomessa. Metsätalouden sopeutumistoimilla voidaan pyrkiä lisääntyvän tuotospotentiaalin hyödyntämiseen ja metsätuhoriskien pienentämiseen. Sopeutumistoimien suunnittelemiseksi tarvitaan kuitenkin ensin tietoa siitä, miten ilmasto muuttuu ja mitä vaikutuksia ilmastonmuutoksella on. Työni oli osa vuonna 2005 käynnistettyä Ilmastonmuutoksen sopeutumistutkimusohjelmaa (ISTO). ISTO, ja näin myös oma tutkimukseni, tuottaa siis tietoa, jonka avulla voidaan mukauttaa metsänhoitoa vastaamaan muuttuvia ilmastooloja. Työssä tarkasteltiin maan vesipitoisuutta menneessä, nykyisessä ja muuttuvassa ilmastossa. Tavoitteena oli ennustaa, miten kuivuuden esiintyminen muuttuu Suomessa. Lisäksi menneiden kuivien vuosien kasvuvaikutuksia tutkittiin lustomittausten avulla. Vesitasemuutoksia lähdettiin tutkimaan mallilaskelmilla. Laskelmat perustuivat yksinkertaiseen open bucket – tyyppiseen vesimalliin. Mallissa maaperä ajatellaan tilana, johon sadanta ja lumen sulaminen tuovat vettä. Haihdunta ja valunta päinvastaisesti vähentävät sitä. Mallia sovellettiin Metlan yhdeksällä provenienssikoealueella, joihin lukeutui sekä kuusikoita että männiköitä eri kasvupaikoilta. Mallin yksinkertaisuuden takia koealueilta tarvittiin ainaostaan päivittäiset tiedot lämpötilasta, sadannasta, säteilystä ja VPD:stä. Lisäksi tuli selvittää kasvupaikkojen savi- ja hiekkapitoisuudet maaperäparametrien laskemiseksi. Vesimallilla tehtiin kahdet laskelmat. Ensimmäisissä laskettiin päivittäistä vesitasetta vuosina 1961-2008 mitattua sääaineistoa käyttäen. Toisissa laskelmissa käytettiin mitatusta säädatasta modifioitua sääennustetta. Lämpötilaa ja sadantaa oli kasvatettu vastaamaan vuosisadan lopulle tehtyä ennustetta. Näiden kahden laskelman tuloksia vertailtiin keskenään kuivuuspäivien lukumäärän osalta. Malliin oli siis ohjelmoitu kuivuuspäiväindeksi. Indeksin perusteella kuivuutta katsottiin olleen päivänä, jolloin kasveille käyttökelpoisen veden määrä laski alle 4 prosentin ja haihdunta leikkaantui 90 prosentilla normaalitasoon nähden. Kuivuuspäivät lisääntyivät kaikilla provenienssikoealueilla. Suurin muutos olisi tulosten perusteella odotettavissa etelärannikolla ja männyn kasvupaikoilla, jotka jo entuudestaan olivat alueista kuivimpia. Vähäisin muutos olisi taas odotettavissa kuusen kasvupaikoilla, etenkin jos sijainti ei ole aivan eteläisimmässä Suomessa. Kasvuvaikutuksia koskevien tulosten perusteella maan vesipitoisuus ei ole ollut merkittävä lustojen kasvua rajoittava tekijä provenienssikoealueilla menneinä vuosikymmeninä. Kuivuuspäivien määriin ei tule suhtautua absoluuttisina totuuksina, sillä ne ovat määritelmänsä mukaisesti vain suuntaa antavia. Niiden avulla voidaan tehdä ainoastaan päätelmiä metsiköiden ja vuosien välisistä suhteellisista eroista ja kehityssuunnista. Suoria johtopäätöksiä puuston kasvusta tai elinvoimaisuudesta ei pystytä tekemään. Eikä myöskään pystytä arvioimaan, reagoivatko mänty ja kuusi ennustettuihin muutoksiin eri tavoin. Voidaan kuitenkin päätellä, että keskimääräisten vuotuisten kuivuuspäivien lukumäärän kasvu johtaa brutto- ja nettoprimäärituotoksen vähenemiseen. Tätä kautta kuivuuden lisääntyminen alentaa myös kasvua verrattuna tilanteeseen, jossa kuivuuspäivien määrä pysyisi muuttumattomana.