Soil nutrients, properties and carbon stock comparison between native and non-native ecosystems in Þingvellir, Iceland

Abstract

The five factors of soil formation are bedrock, climate, time, topography and biota. Vegetation affects soil development by organic matter input. It has been demonstrated worldwide that coniferous species are known to change the properties of soil, e.g. acidification, however this remains unproven in Iceland. Juniperus communis is the only native coniferous species in Iceland and it does not form forests. Over the past decades, non-native coniferous species have been introduced to Iceland and are still used in commercial forestry. Presently, the Icelandic Forest Service and local forestry associations in Iceland plant over 50% of coniferous species in new plantations. The purpose of this study is to compare vegetation coverage, plant species composition and live biomass, and various soil properties including pH, organic matter, available N-species, phosphorus, carbon stock, carbon and nitrogen percentages, C/N ratio and cation exchange capacity between different vegetation communities (spruce plantation, native birch forest and native heathland). Five study sites at each ecotype were located within Þingvellir National Park on a 10,000-year-old lava field and they share the same environmental conditions. This study identified significant soil acidification in the spruce plantation as well as higher organic matter, carbon, and nitrogen percentages. However, the spruce plantation had less species richness in the understory in comparison with the birch forest, which had more grass species and coverage and the heathland, which had more herbaceous species. Both heath and birch forest had full vegetation coverage in the understory but the spruce had only partial coverage. The live biomass was lowest in the spruce forest and highest in birch forest. In cation exchange capacity, a clear trend emerged where spruce had the lowest Ca2+ cation concentrations but highest Al3+ ion concentrations, indicative of a trend towards acidification. Spruce had the highest total CEC (TCEC) but the lowest base saturation (BS) and base cations. The difference in TCEC and base saturation between heath and birch woodland was much less than the difference between these native habitats and the non-native plantation. Base cations were similar in all ecotypes. This study indicates that soil pH is an important parameter to consider when planting new woodlands in Iceland to avoid the danger of soil acidification.

Fimm þættir móta jarðveg; móðurberg, loftslag, tími, landslag og lífríki. Jarðvegur á grónu landi er alla jafna lífrænni en á ógrónu landi, kolefnis- og næringarríkari þar sem gróður er aðaluppspretta hins lífræna efnis í jarðvegi. Rannsóknir á eðliseiginleikum jarðvegs milli mismunandi gróðurlenda s.s. innlends vistkerfis og erlends vistkerfis eru fáar hér á landi. Í skógrækt og landgræðslu hér á landi hefur víða verið plantað framandi tegundum, t.d. barrtrjám en eina innlenda barrtréð er einir (Juniperus communis) en það myndar ekki skóga. Skógræktin og skógræktarfélög nota yfir 50% af erlendum barrtrjám í gróðursetningum sínum. Erlendis hefur verið sýnt fram á að barrtré sýra jarðveg. Tilgangur þessarar rannsóknar er að skoða og mæla mismunandi gróður- og jarðvegseiginleika í þremur gróðurlendum á Þingvöllum; mólendi, birkiskógi og greniskógi á 10.000 ára gömlu hrauni. Gróðurlendin liggja nærri hvert öðru á Þingvöllum og þar ríkir sama veðurfar og umhverfisaðstæður. Gróðurþekja tegundahópa var skráð, jarðvegssnið mæld og jarðvegssýni tekin. Ýmsir jarðvegseiginleikar voru greindir s.s. sýrustig, lífrænt efni, nýtanleg næringarefni eins og niturtegundir og fosfór, kolefnisforði, heildarmagn kolefnis og niturs, C/N hlutfall og katjónarýmd. Niðurstöður sýna að í botni greniskógarins er minni fjölbreytni plöntutegunda en í bæði botni birkiskógarins og í mólendinu einnig er lifandi lífrænn massi minnstur í botni greniskóga en heildarþekja mólendis og birkiskógar 100%. Grös eru mest áberandi í birkiskógi en blómjurtir í mólendi en mosi var í áberandi á skógarbotni í greniskógi. Jarðvegur undir greniskóginum sýnir marktæka súrnun borið saman við jarðveg í mólendinu og birkiskóginum sem voru svipaðir að sýrustigi en jarðvegur í greniskóginum inniheldur hins vegar hærra magn lífræns efnis, hærri kolefnisforða, kolefnishlutfall og niturhlutfall. Næringar¬efna¬rannsóknir voru flestar undir greiningarmörkum. Mælingar á katjónarýmd sýndu að greniskógurinn var með minnst af jóninni kalsíum en hæst í ál jóninni, sem er í samræmi við sýrustigsmælingar. Hvað mismun milli birkiskógar og mólendis varðar er munur þar minni en milli þeirra og greniskógarins. Greniskógur sýndi hæst heildar jónarýmd (TCEC) en lægstu grunnjónamettun, mólendi og birkiskógur höfðu minni mun. Sýrustig jarðvegs er góður mælikvarði á heilsu hans. Þótt jarðvegur innihaldi gnægð næringarefna geta plöntur ekki nýtt sér næringarefnin hafi hann of lágt sýrustig. Lækkun sýrustigs í greniskógi getur því haft áhrif á upptöku næringarefna.