Farklı arazi kullanım türleri ve ağaç yaşının bazı toprak özellikleri, karbon ve azot depolamasına etkileri
Effects of land use type and tree age on some soil properties and organic carbon and total nitrogen stock capacity
Yazar: GAMZE SAVACI
Danışman: PROF. DR. TEMEL SARIYILDIZ
Kastamonu Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Orman Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Ormancılık ve Orman Mühendisliği = Forestry and Forest Engineering
Dizin: Karbon-azot oranı = Carbon-nitrogen ratio ; Organik azot = Organic nitrogen

Özet:
Karbondioksit (CO2) en etkili sera gazıdır. Atmosferdeki yüksek CO2 miktarı, çoğunlukla fosil yakıtların kullanılmasına (yaklaşık %80-85) ve ormanların tahrip edilmesine bağlanmaktadır. Atmosferik karbonun yıllık olarak yaklaşık 2600 milyon ton arttığı tahmin edilmektedir. Aynı zamanda, azot depolama da, fosil yakıtlarının tüketilmesi ve azotlu gübrelerin üretilmesi ve kullanılması gibi insan faaliyetlerinin etkisiyle son 150 yıl içerisinde 10 kattan daha fazla artmıştır. Kullanılabilir azotun artışı, karasal ekosistemde C ve N döngüsünü etkileyebilmektedir. Orman ağaçları, fotosentezle karbonu bağlayan ve fazla karbonu ise biyokütlesinde depolayan CO2 yutağı olarak rol oynarlar. Ormanların uzun dönemde net CO2 kaynağı/depolama dinamikleri, genellikle zamanla ağaçların büyümesine, ölmesine ve çürümesine bağlı olarak değişiklik göstermektedir. Bununla beraber, orman üzerindeki insan etkileri (örneğin; yönetim, arazi kullanım değişikliği) ormanların CO2 kaynağı/depolama dinamiklerini bazı faktörlerle (örneğin fosil yakıt salınımları ve biyokütlenin hasadı/kullanımıyla) daha da fazla etkileyebilirler. Bu sebeplerden dolayı, orman ekosistemlerinin, özellikle orman topraklarının karbon ve azot havuzlarının sera gazlarının azaltılmasındaki rolleri ile orman topraklarının organik karbon ve toplam azot depolama kapasiteleri üzerinde etkili faktörler konusunda daha fazla bilgi edinmeye gereksinim bulunmaktadır.
Burada sunulan çalışmanın amacı, Kastamonu yöresinde doğal olarak yetişen Kazdağı göknar (Abies nordmanniana subsp. equi-trojanı (Steven) Spach) ve sarıçam (Pinus sylvestris L.) türlerinin toprak özellikleri, toprak organik karbon ve toplam azot miktarı ve depolama kapasiteleri ile ölü örtü miktarı, kimyasal bileşimi ve ayrışma seyri üzerinde, ağaç yaşı ve arazi kullanım türünün etkisini ortaya koymaktır. İnebolu ve Ilgaz olmak üzere iki alanda çalışmalar yürütülmüştür. Aynı iklim koşulları altında, İnebolu çalışma alanında yetişen 4 farklı yaşlarda göknar (38, 60, 90 ve 100 yaşlarında) ve 2 farklı yaşta sarıçam (18 ve 30 yaşlarında) meşcereleri ile tarım alanından toprak örneklemesi yapılmıştır. Ilgaz çalışma alanında ise 6 farklı yaşta göknar (57, 66, 183, 250, 283 ve 306 yaşlarında) ile mera alanından toprak örneklemesi yapılmıştır. Toprak örnekleri, toprak silindirleri kullanılarak 5 farklı derinlik kademesinden (0-5 cm, 5-10 cm, 10-15 cm, 15-20 cm ve 20-30 cm) alınmış ve daha sonra da bu örneklerin toprak pH, tekstür, toprak besin elementleri, hacim ağırlığı, organik C ve N miktarları ile toprak organik karbon (TOK) ve toplam azot (TA) depolama kapasiteleri belirlenmiştir. Bu çalışmalara ek olarak, İnebolu çalışma alanına ibre ayrışma deneyi arazide kurularak, farklı yaşlardaki göknar ve sarıçam ibrelerinin ayrışma süreçleri izlenmiştir. İbre ayrışma keseleri kullanılarak gerçekleştirilen ibre ayrışma deneyinde, farklı yaşlardaki göknar ibreleri (38, 60, 90 ve 100 yaşlarında) ve sarıçam ibreleri (18 ve 30 yaşlarında) toplanmış, ibre ayrışma keselerine konulmuş, daha sonra toplandıkları alana tekrar ayrışma keseleri içinde yerleştirmiş ve her altı ayda bir örnekleme yapılarak, 2 yıl boyunca takip edilmiştir.

Sonuçlar, toprak özelliklerinin, besin elementlerinin, TOK ve TA içeriğinin ve başlangıçtaki ölü örtü miktarının ve biyokimyasal bileşiminin, ağaç yaşı, arazi kullanım durumu ile toprak derinlik kademeleri arasında değiştiğini göstermiştir. Ağaç yaşı ile TOK ve TA depolama kapasiteleri ve ölü örtü ayrışma hızında önemli farklılıklar belirlenmiştir. İnebolu çalışma alanı topraklarında 0-30 cm derinlik göz önüne alındığında, 30 yaşındaki sarıçam ağaçlarında karbon depolanması en düşük belirlenirken (86,60 t C ha-1), bunu sırasıyla tarım alanı (93,70 t C ha-1), 90 yaşındaki göknar ağacı (94,10 t C ha-1), 18 yaşındaki sarıçam ağacı (115,0 t C ha-1), 60 yaşındaki göknar ağacı (120,0 t C ha-1), 38 yaşındaki göknar ağacı (146,10 t C ha-1) ve 100 yaşındaki göknar ağacı (160,4 t C ha-1) takip etmiştir. Toplam azot depolama kapasitesi en yüksek 100 yaşındaki göknar ile 18 yaşındaki sarıçam ağaçlarında bulunurken (8,97 t N ha-1 ve 7,86 t N ha-1), en düşük 30 yaşındaki sarıçam ve 60 yaşlarındaki göknar ağaçlarında (5,74 t N ha-1 ve 7,04 t N ha-1) belirlenmiştir. Ilgaz çalışma alanında ise; 66 yaşındaki göknar ağaçlarında en düşük karbon depolamasına (96,46 t C ha-1) sahip olurken, bunu sırasıyla mera (113,70 t C ha-1), 183 yaşındaki (145,30 t C ha-1) 250 yaşındaki (145,40 t C ha-1), 283 yaşındaki (146,30 t C ha-1), 306 yaşındaki (160,50 t C ha-1) ve 57 yaşındaki (166,70 t C ha-1) göknar ağaçları izlemiştir. Toplam azot depolama kapasitesi ise en yüksek mera topraklarında ve 283 yaşındaki göknar ağaçlarında bulunurken (9,50 t N ha-1 ve 9,07 t N ha-1), en düşük 66 ve 250 yaşlarındaki göknar ağaçlarda (6,04 t N ha-1 ve 7,29 t N ha-1) belirlenmiştir.
İbre ayrışma deneyi sonuçları incelendiğinde, 60 yaşındaki göknar ibrelerinin kütle kaybı en yüksek belirlenirken (%80,2), bunu sırasıyla 100 yaşındaki (%75,8), 90 yaşındaki (%69,4) ve 38 yaşındaki göknar ibreleri (%67,7) takip etmiştir. 18 yaşıdaki sarıçam ibrelerinin ayrışması, 30 yaşındaki sarıçam ibresine nazaran daha hızlı gerçekleşmiştir (%76,7). Farklı yaşlardaki ağaç ibreleri arasındaki ayrışma farklılıkları ile ibrelerin başlangıçta içerdiği C miktarları arasında önemli bir ilişki olduğu tespit edilmiştir (6. ay sonunda r2=0.723, 12. ay sonunda r2=0.514, 18. ay sonunda r2=0.946 ve 24. ay sonunda r2=0,895).
Sonuç olarak, ağaç yaşının ve arazi kullanım değişikliğinin toprak özelliklerini, toprak organik karbon ve toplam azot miktarı ile depolama kapasitelerini, ölü örtü miktarını, kalitesini ve ibre ayrışma dinamiklerini önemli derecede etkileyebileceği bu çalışma ile ortaya konulmuştur. Bu nedenle gelecekteki çalışmalarda ağaç yaşı ile arazi kullanım değişikliklerine bağlı farklılıklar göz önünde tutulmalıdır. Bununla birlikte nihai sonuca ulaşmak için farklı ağaç türlerini kullanarak daha ayrıntılı çalışmalara ihtiyaç bulunmaktadır.

Abstract:
Carbon dioxide is a dominant greenhouse gas. Increased atmospheric CO2 is attributable mostly to fossil fuel combustion (about 80–85%) and deforestation worldwide. Atmospheric carbon is estimated to be increasing by approximately 2600 million metrictons annually. Nitrogen (N) deposition has also increased more than tenfold since the last 150 years due to the intensification of human activities such as production and application of nitrogenous fertilizer, and fossil fuel combustion. The increasing N availability can impact C and N cycling in terrestrial ecosystems. Forest trees act as a sink for CO2 by fixing carbon during photosynthesis and storing excess carbon as biomass. The net long-term CO2 source/sink dynamics of forests change through time as trees grow, die, and decay. In addition, human influences on forests (e.g. management, land use change) can further affect CO2 source/sink dynamics of forests through such factors as fossil fuel emissions and harvesting/utilization of biomass. For those reasons, it is neccerassary to gain more knowledge on the role of forest ecosystems especially forest soil carbon and total nitrogen pools for mitigation of greenhouse gases and the factors infulencing soil organic carbon and total nitrogen stock capacities.
Main aim of this present study was to investigate the effects of tree age and land-use change on soil properties, soil organic carbon and total nitrogen contents and stock capacities, forest floor litter amount, chemical constituents and litter decomposition dynamics using the most common tree species, fir and Scots pine in Kastamonu Region. The study was carried out at two areas (Inebolu and Ilgaz). Under similar microclimate conditions, in Inebolu area, soil samples and forest floor material were collected from 4 different ages of fir (38, 60, 90 and 100 year-old), 2 different ages of Scots pine (18 and 30 year-old) and one agriculture site, while in Ilgaz area, soil samples were collected from 6 different ages of fir (57, 66, 183, 250, 283 and 306 year-old) and one pasture site. The soil samples were taken from 5 different soil depths (0-5, 5-10, 10-15, 15-20 and 20-30 cm) using soil cores and analyzed for soil pH, texture, soil nutrients, soil bulk density, organic carbon and nitrogen contents and soil organic carbon (SOC) and total nitrogen (TN) stock capacities. In addition, in Inebolu site, the effects of different tree ages on litter decomposition rates of fir and Scots pine were studied using a litter bag method. Fir litters (38, 60, 90 and 100 year olds) and Scots pine litters (18 and 30 year olds) were seperately collected and put in the litter bags. The litter bags were then placed on the corresponding sites and sampled every 6 month for 2 years. 

The results showed that the soil properties, soil nutrients, SOC and TN contents, initial litter biochemical composition varied between the tree ages and soil depths, but there were significant differences in SOC-and TN-stock capacities and litter decomposition rates among tree ages. When 0-30 cm depth was considered, in Inebolu site, the lowest SOC stock capacity (86,60 t C ha-1) was seen under the 30 yr-old Scots pine trees, followed by the agriculture site (93,70 t C ha-1), 90 yr-old fir trees (94,10 t C ha-1), 18 yr-old Scots pine trees (115,0 t C ha-1), 60 yr-old fir trees (120,0 t C ha-1), 38 yr-old fir trees (146,10 t C ha-1) and the 100 yr-old fir trees (160,4 t C ha-1). Nitrogen stock capacity was the highest for 100 yr-old fir trees and 18 yr-old Scots pine trees (8,97 t N ha-1 and 7,86 t N ha-1 respectively), while it was lowest for 30 yr-old Scots pine and 60 yr-old fir trees (5,74 t N ha-1 and 7,04 t N ha-1 respectively). In Ilgaz site, the 66 yr-old fir trees had the lowest soil carbon stock capacity (96,46 t C ha-1), followed by pasture land (113,70 t C ha-1), 183 yr-old (145,30 t C ha-1), 250 yr-old (145,40 t C ha-1), 283 yr-old (146,30 t C ha-1), 306 yr-old (160,50 t C ha-1) and 57 yr-old (166,70 t C ha-1). Nitrogen stock capacity was highest for pasture soils and 283 yr-old fir trees (9,50 t N ha-1 and 9,07 t N ha-1 respectively), while it was lowest for 66 and 250 yr-old fir trees (6,04 t N ha-1 and 7,29 t N ha-1 respectively). 
As for the litter decomposition experiments, after 24 months, 60 year-old fir litters showed the highest mass losses (80,2%), followed by 100 year-old fir litters (75,8%), 90 year-old fir litters (69,4%) and 38 year-old fir litters (67,7%). 18 year-old Scots pine litter decomposed faster than the 30 year old litters (76,7%). Initial carbon concentration explained most of the variation in decomposition rates between the litter ages (r2= 0.723 after 6 months, r2= 0.514 after 12 months, r2= 0.946 after 18 months and r2= 0.895 after 24 months).
In conclusion, the results from this present study illustrate the important point that tree ages and land use changes can strongly influences soil properties, soil organic carbon and total nitrogen contents and stock capacities, quality and litter decomposition dynamics. Therefore, differences in tree age and land use changes should be considered in future studies. However, more detailed studies are needed using different tree species to reach a final conclusion.