MASTERARBEIT / MASTER’S THESIS Titel der Masterarbeit / Title of the Master‘s Thesis „The effect of reforestation on the carbon sequestration capacity of a degraded dryland in Binh Thuan, Vietnam“ verfasst von / submitted by Alexander Hollaus, BA angestrebter akademischer Grad / in partial fulfilment of the requirements for the degree of Master of Science (MSc) Wien, 2017 / Vienna 2017 Studienkennzahl lt. Studienblatt / A 066 855 degree programme code as it appears on the student record sheet: Studienrichtung lt. Studienblatt / Geographie / Geography degree programme as it appears on the student record sheet: Betreut von / Supervisor: Ass. Robert Peticzka Mitbetreut von / Co-Supervisor: Mag.
Erich Inselsbacher Erklärung Hiermit versichere ich, • dass ich die vorliegende Masterarbeit selbstständig verfasst, andere als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel nicht benutzt und mich auch sonst keiner unerlaubten Hilfe bedient habe, • dass ich dieses Masterarbeitsthema bisher weder im In- noch im Ausland in irgendeiner Form als Prüfungsarbeit vorgelegt habe • und dass diese Arbeit mit der vom Begutachter beurteilten Arbeit vollständig übereinstimmt.2017 i Acknowledgements I wish to express my appreciation of everyone who helped and supported me during the organization and research of my Master`s thesis. Special thanks go to my supervisors: Erich Inselsbacher and Robert Peticzka, both from the Geoecology and Quaternary research group at the Department of Geography and Regional Research from the University of Vienna. They always had time for a meeting together and let me use the laboratory for the physical soil analyses. In addition, a big thanks goes to Axel Mentler and Alena Rabitz from University of Natural Resources and Life Sciences (BOKU) in Vienna.
My colleague Alena Rabitz was doing her thesis about organic farming in Binh Thuan at the same time and we supported each other in the organization and research for the theses. Axel Mentler from the Institute of Soil Research at BOKU helped me with the planning and the analyses of the soil sampling. He always gave good input and had great ideas for my research. In addition, he helped me with the analyses of the soil samples in the laboratory.
Without the support I received within Vietnam it wouldn’t have been possible to conduct this thesis. I want to express my gratitude to the supervisors and staff of the Faculty of Chemistry of Vietnam National University – Hanoi University of Science. In particular, I would like to acknowledge the access to the laboratory in Hanoi and the strong support given by my supervisors Tien Duc Pham and Tu Binh Minh, the Dean of Faculty of Chemistry Le Thanh Son and Nguyen Manh Ha, who supported me in the laboratory in Hanoi. I also would like to thank Chu Dinh Binh from Hanoi University of Science and Technology who was my first contact in Vietnam and who supported me with the organization of my research and continuously stayed in touch with me.
I would also like to thank my friend Le Thi Bich Phuong for her assistance and for translating Vietnamese to English during the field trip in Binh Thuan for a whole month. She always did her best to support me while writing this thesis. Finally, I want to thank the officials in Vietnam, particularly in Binh Thuan, for giving me permission to do research and to share information for this Master´s thesis. Alexander Hollaus, University of Vienna, May 2017 ii Abstract Land degradation in drylands, also called desertification, caused by human impacts and climatic factors, results in a decline of ecological functionality as well as socioeconomic problems.
Moreover, land degradation releases carbon (C) from soil and vegetation into the atmosphere in the form of carbon dioxide where it acts as a greenhouse gas, contributing to global warming. Thus, action is required to reduce dryland degradation in order to mitigate climate change. A key measure used for C sequestration and ecosystem restoration is reforestation. Understanding the potential of reforestation for the storage of C in vegetation and soil is essential if this action is to be applied to combat desertification.
The purpose of this Master’s thesis is to examine the interactions between reforestation and C sequestration during the restoration of a dryland area in Binh Thuan, Vietnam. The study area, Hoa Thang commune, is prone to land degradation because of its semiarid/sub-humid climate and geology. Especially the coastal plains are dominated by degraded consolidated and unconsolidated sandy soils. Thus, a comparison between the C content in the soil and vegetation of degraded, reforested as well as natural forest areas can show the sequestration potential of C through reforestation.
Soil samples were taken in the study area and analyzed in the laboratory for total C content as well as other soil characteristics to determine soil fertility. Additionally, a remote sensing analysis of the research area was carried out to create a potential C sequestration map. The results indicate high C sequestration potential in Acacia mangium plantations compared to Azadirachta indica plantations and barren land during the first 10 years. Tree species used for plantations are, along with the age of the forest, a major factor determining the C storage capacity.
Nonetheless, natural forests store a higher proportion of C in soil and contribute to higher biodiversity. Human impact on the C storage potential in plantations and natural forests is very high since logging for timber or charcoal production was observed to cause a decrease in biomass and soil C. In conclusion, reforestation in the research area could potentially help in sequestering C and mitigating dryland degradation, provided that human impact is reduced. Zusammenfassung Landdegradierung in Trockengebieten, auch Desertifikation genannt, wird durch menschliche Aktivitäten und klimatische Faktoren verursacht und führt zu einem Rückgang der ökologischen Funktionalität und zu sozioökonomischen Problemen.
Darüber hinaus wird durch die Landdegradierung Kohlenstoff (C) aus Boden und Vegetation in die Atmosphäre in Form von Kohlendioxid freigesetzt, wo es als Treibhausgas wirkt und die Klimaerwärmung verstärkt. Daher müssen Maßnahmen in den Trockengebieten getroffen werden, um die Auswirkungen der Degradierung auf den globalen Klimawandeln abzuschwächen. Eine Schlüsselmaßnahme für die Sequestrierung von C und die Wiederherstellung des Ökosystems ist die Wiederaufforstung. Es ist daher wesentlich ein Verständnis für die Zuverlässigkeit und das Potenzial dieser iii Schlüsselmaßnahme für die Speicherung von C in Vegetation und Boden zu entwickeln.
Das Ziel dieser Masterarbeit ist es, diese Wechselwirkungen zwischen Wiederaufforstung und C- Sequestrierung bei der Restauration eines Trockengebiets in Binh Thuan, Vietnam, zu untersuchen. Das Untersuchungsgebiet, welches die Gemeinde Hoa Thang umfasst, ist wegen seines semiariden/sub-humiden Klimas und der Geologie anfällig für Landdegradierung. Vor allem die Küstenebenen werden von degradierten konsolidierten und unkonsolidierten sandigen Böden dominiert. Ein Vergleich zwischen dem C-Gehalt in Boden und Vegetation von degradierten Flächen und aufgeforsteten sowie natürlichen Waldgebieten soll die Speicherkapazität von C durch Wiederaufforstung zeigen.
Im Untersuchungsgebiet wurden Bodenproben genommen und im Labor auf den Gesamt-C-Gehalt sowie andere Bodenmerkmale analysiert, um die Bodenfruchtbarkeit zu bestimmen. Zusätzlich wurde eine Fernerkundungsanalyse des Forschungsgebiets durchgeführt, um eine C-Sequestrierungskarte zu erstellen. Die Ergebnisse zeigen ein hohes C-Sequestrierungspotential in Acacia mangium Plantagen im Vergleich zu Azadirachta indica Plantagen und degradierten Flächen in den ersten 10 Jahren nach der Wiederaufforstung. Baumarten, die für die Wiederaufforstung verwendet werden, sind neben dem Alter des Waldes ein wichtiger Faktor in der C-Speicherkapazität.
Die natürlichen Wälder speichern einen höheren Anteil an C im Boden und tragen zu einer höheren Biodiversität bei. Die Auswirkung der menschlichen Aktivitäten auf den C-Speicher in Plantagen und natürlichen Wäldern ist aufgrund der Holz- und Holzkohleproduktion sehr hoch, was zu einer Abnahme der Biomasse und des C-Gehalts im Boden führt. Zusammenfassend sieht man, dass die Wiederaufforstung im Forschungsgebiet dazu beitragen kann, die Degradierung von Trockengebieten zu verringern und die Sequestrierung von C zu verbessern, wenn die menschlichen Einwirkungen reduziert werden. Bản tóm tắ t Suy thoái đất ở các vùng đất khô cằn, còn được gọi là sa mạc hóa, gây ra bởi các tác động của con người và các yếu tố khí hậu, dẫn đến sự suy giảm chức năng sinh thái cũng như các vấn đề kinh tế xã hội.
Hơn nữa, sự thoái hoá đất thải carbon (C) khỏi đất và thực vật vào khí quyển dưới dạng carbon dioxide, nơi nó hoạt động như một khí nhà kính và góp phần làm nóng toàn cầu. Vì vậy, cần thiết hành động để giảm sự xuống cấp của vùng đất khô hạn nhằm giảm nhẹ sự thay đổi khí hậu. Một biện pháp quan trọng được sử dụng để củng cố và phục hồi hệ sinh thái C là tái trồng rừng. Hiểu được tiềm năng tái trồng rừng đối với việc cô lập C trong thực vật và đất đai là rất cần thiết nếu hành động này được sử dụng để chống hoang mạc hóa.
Sự hiểu biết này cũng có thể được sử dụng để dự đoán kịch bản biến đổi khí hậu trong tương lai. Mục đích của luận án Thạc sỹ này là xem xét các tương tác giữa trồng rừng và giữ đất trong quá trình khôi phục vùng đất khô ở iv Bình Thuận, Việt Nam. Khu vực nghiên cứu, xã Hòa Thắng, có xu hướng bị thoái hoá đất do khí hậu khô cằn, thiếu nước và địa chất. Các vùng đồng bằng ven biển đặc biệt bị chi phối bởi đất cát củng cố và chưa được củng cố.
Như vậy, việc so sánh hàm lượng C trong đất và thực vật của các khu vực rừng bị suy thoái, tái trồng rừng cũng như rừng tự nhiên có thể cho thấy tiềm năng cô lập C thông qua việc trồng lại rừng. Các mẫu đất được lấy ở khu vực nghiên cứu và phân tích trong phòng thí nghiệm với tổng hàm lượng C cũng như các đặc tính đất khác để xác định độ màu mỡ của đất. Ngoài ra, một phân tích từ vệ tinh không gian của 10 năm trước cho khu vực nghiên cứu đã được thực hiện để tạo ra một bản đồ C tích lũy tiềm năng. Kết quả cho thấy tiềm năng cô lập C cao ở đồn điền Acacia mangium so với rừng trồng Azadirachta indica và đất trống trong 10 năm đầu.
Các loài cây trồng được sử dụng cho trồng rừng, cùng với độ tuổi của rừng, là yếu tố chính xác định khả năng lưu trữ C. Tuy nhiên, rừng tự nhiên có tỷ lệ C trong đất cao hơn và góp phần vào sự đa dạng sinh học cao hơn. Tác động của con người lên tiềm năng lưu trữ C trong các đồn điền và rừng tự nhiên rất cao do việc khai thác gỗ hoặc sản xuất than đã làm giảm sinh khối và đất C. Kết luận rằng trồng rừng ở khu vực nghiên cứu có thể giúp giảm thiểu sự thoái hóa đất khô và cải thiện hấp thu của C, với điều kiện con người giảm tác động không tố t tới đấ t, rừng và các điề u kiện tự nhiên khác ở khu vự c này.
v Abbreviations ABG Aboveground Biomass AEC Acid Extractable Cations Am Acacia mangium Ai Azadirachta indica APSL Above Present Sea-Level Barren Barren Land BD Bulk Density BGB Belowground Biomass Blitter Litter Biomass C Carbon DBH Diameter at Breast Height DOC Dissolved Organic Carbon BL Barren Land Class (Barren) EC Electrical Conductivity E4/E6 Fulvic Acid/Humic Acid Ratio FAO Food and Agriculture Organization of the United Nations NF Natural forest Class (nForest) MARD Ministry of Agriculture and Rural Development, Vietnam NDVI Normalized Density Vegetation Index nForest Natural forest Ntot Total Nitrogen P Plantation Class SIC Soil Inorganic Carbon TC Total Carbon UNFCCC United Nations Framework Convention on Climate Change UNCCD United Nations Framework Convention to Combat Desertification WEA Water Extractable Anions yr Year vi Table of Content Erklärung. iii Bản tóm tắ t. vi Table of Content. Remote Sensing Analysis.
Soil Chemical and Physical Analysis. Estimation of Carbon Sequestration. Remote Sensing Analyses. Particle Size Distribution.
Dissolved Organic Carbon (DOC) .