Carbon Sequestration in Carob (Ceratonia siliqua L.) Plantations under the EU Afforestation Program in Southern Spain Using Low-Density Aerial Laser Scanning (ALS) Data

Climate change is one of the environmental issues of global dominance and public opinion, becoming the greatest environmental challenge and of interest to researchers. In this context, planting trees on marginal agricultural land is considered a favourable measure to alleviate climate change, as they act as carbon sinks. Aerial laser scanning (ALS) data is an emerging technology for quantitative measures of C stocks. In this study, an estimation was made of the gains of C in biomass and soil in carob (Ceratonia siliqua L.) plantations established on agricultural land in southern Spain. The average above-ground biomass (AGB) corresponded to 85.5% of the total biomass (average 34.01 kg tree−1), and the root biomass (BGB) was 14.5% (6.96 kg tree−1), with a BGB/AGB ratio of 0.20. The total SOC stock in the top 20 cm of the soil (SOC-S20) was 60.70 Mg C ha−1 underneath the tree crown and 43.63 Mg C ha−1 on the non-cover (implantation) area for the C. siliqua plantations. The allometric equations correlating the biomass fractions with the dbh and Ht as independent variables showed an adequate fit for the foliage (Wf, R2adj = 0.70), whereas the fits were weaker for the rest of the fractions (R2adj < 0.60). The individual trees were detected using colour orthophotography and the tree height was estimated from 140 crowns previously delineated using the 95th percentile ALS-metric. The precision of the adjusted models was verified by plotting the correlation between the LiDAR-predicted height (HL) and the field data (R2adj = 0.80; RMSE = 0.53 m). Following the selection of the independent variable data, a linear regression model was selected for dbh estimation (R2adj = 0.64), and a potential regression model was selected for the SOC (R2adj = 0.81). Using the segmentation process, a total of 8324 trees were outlined in the study area, with an average height of 3.81 m. The biomass C stock, comprising both above- and below-ground biomass, was 4.30 Mg C ha−1 (50.67 kg tree−1), and the SOC20-S was 37.45 Mg C ha−1. The carbon accumulation rate in the biomass was 1.94 kg C tree−1 yr−1 for the plantation period. The total C stock (W-S and SOC20-S) reached 41.75 Mg ha−1 and a total of 4,091.5 Mg C for the whole plantation. Gleaned from the synergy of tree cartography and these models, the distribution maps with foreseen values of average C stocks in the planted area illustrate a mosaic of C stock patterns in the carob tree plantation

Use of Aerial Laser Scanning to Assess the Effect on C Sequestration of Oak (Quercus ilex L. subsp. ballota [Desf.]Samp-Q. suber L.) Afforestation on Agricultural Land

Conversion of agricultural lands to forest plantations to mitigate rising atmospheric carbon dioxide (CO2) has been proposed, but it depends on accurate estimation of the on-site carbon (C) stocks distribution. The use of aerial laser scanning (ALS) data is a rapidly evolving technology for the quantification of C stocks. We evaluated the use of allometric models together with high-density ALS data for the quantification of biomass and soil C stocks in a 14-year-old Quercus ilex and Q. suber plantation in Southwestern Spain. In 2010, a field survey was performed and tree dasometric and biomass variables were measured. Forty-five soil profiles (N = 180 soil samples) were taken systematically and the soil organic C content (SOC) was determined. Biomass and soil organic C values were regressed against individual dasometric variables and total tree height was used as a predictor variable. Aerial laser scanning data were acquired with a point density of 12 points m−2. Relationships among ALS metrics and tree height were determined using stepwise regression models and used in the allometric models to estimate biomass and SOC C stocks. Finally, a C stock map of the holm-cork oak cover in the study area was generated. We found a tree total biomass of 27.9 kg tree−1 for holm oak and 41.1 kg tree−1 for cork oak. In the holm oak plantation, the SOC content was 36.90 Mg ha−1 for the layer 0–40 cm (SOC40) under the tree crown and 29.26 Mg ha−1 for the inter-planted area, with significant differences from the reference agricultural land (33.35 Mg ha−1). Linear regression models were developed to predict the biomass and SOC at the tree scale, based on tree height (R2 >0.72 for biomass, and R2 >0.62 for SOC). The overall on-site C stock in the holm-cork oak plantation was 35.11 Mg ha−1, representing a net C stock rise of 0.47 Mg ha−1 yr−1. The ALS data allows a reliable estimation of C stocks in holm and cork oak plantations and high-resolution maps of on-site C stocks are useful for silvicultural planning. The cost of ALS data acquisition has decreased and this method can be generalised to plantations of other Mediterranean species established on agricultural lands at regional scales. However, an increase of filed data and the availability of local biomass and, in particular, SOC will improve accurate quantification of the C stocks from allometric equations, and extrapolation to large planted areas

Airborne Laser Scanning Cartography of On-Site Carbon Stocks as a Basis for the Silviculture of Pinus Halepensis Plantations

Forest managers are interested in forest-monitoring strategies using low density Airborne Laser Scanning (ALS). However, little research has used ALS to estimate soil organic carbon (SOC) as a criterion for operational thinning. Our objective was to compare three different thinning intensities in terms of the on-site C stock after 13 years (2004&ndash;2017) and to develop models of biomass (Wt, Mg ha&minus;1) and SOC (Mg ha&minus;1) in Pinus halepensis forest, based on low density ALS in southern Spain. ALS was performed for the area and stand metrics were measured within 83 plots. Non-parametric kNN models were developed to estimate Wt and SOC. The overall C stock was significantly higher in plots subjected to heavy or moderate thinning (101.17 Mg ha&minus;1 and 100.94 Mg ha&minus;1, respectively) than in the control plots (91.83 Mg ha&minus;1). The best Wt and SOC models provided R2 values of 0.82 (Wt, MSNPP) and 0.82 (SOC-S10, RAW). The study area will be able to stock 134,850 Mg of C under a non-intervention scenario and 157,958 Mg of C under the heavy thinning scenario. High-resolution cartography of the predicted C stock is useful for silvicultural planning and may be used for proper management to increase C sequestration in dry P. halepensis forests

Sistemas agroforestales a partir de técnicas de forestación en zonas agrícolas degradadas bajo el contexto de cambio climático

El objetivo principal del trabajo de investigación fue evaluar el espacio geográfico ambiental actual y futuro de las plantaciones de Q. ilex y P. halepensis, así como analizar los componentes agroforestales a partir de técnicas de forestación en zonas agrícolas degradadas bajo el contexto del cambio climático en Andalucía España. Se evaluó la supervivencia actual bajo los escenarios de cambio climático actuales y futuros previsibles, utilizando Modelos de Distribución de Especies (MDE) en conjunto. Para dicho propósito se utilizó el Sistema de Información Geográfica y la base de datos de presencia/ausencia de Q. ilex y P. halepensis, obtenidos de la Red de Vigilancia Forestal de Andalucía (RED SEDA), y del tercer Inventario Forestal Nacional de España (IFN3); los datos utilizados son de presencia y supervivencia de forestación con encina y pino carrasco en tierras agrícolas e información ambiental en forma de “ráster” a una resolución espacial de 2000 y 200 m2. Se encontró que el 25-38% de las plantaciones de Q. ilex y P. halepensis plantadas entre 1993 y 2000 se establecieron en el área óptima de ocurrencia (probabilidad de ocurrencia >70%), pero sólo el 12,3% (Q. ilex) y el 22,9% (P. halepensis) presentaron simultáneamente una tasa de supervivencia aceptable (>50%). Además, el volumen del espacio ambiental definido por Q. ilex disminuyó, mientras que el definido por P. halepensis se mantuvo constante en las proyecciones futuras bajo el cambio climático. Se ha confirmado el potencial de los MDE para predecir la distribución de la tasa de supervivencia de Q. ilex y P. halepensis y para evaluar la estabilidad futura de cada una de estas especies. En el peor de los casos, ~ 5% de Q. ilex y ~ 33% de P. halepensis de la superficie plantada soportarían el cambio climático. Por otro lado, se determinaron modelos alométricos robustos para estimar la biomasa general de carbono y las existencias de carbono orgánico del suelo(COS) en función de la altura y el diámetro de los árboles de Ceratonia siliqua obtenidos a partir de datos de campo. Se obtuvieron mediciones de árboles individuales derivadas de escaneo láser aéreo (ELA) de baja densidad y asimismo se cuantificó el diámetro a la altura de pecho (dap) y COS, debido a que el dap es la variable más confiable para la estimación de biomasa; finalmente se estimaron y se cartografiaron las existencias totales de C en la forestación de algarrobos. Los valores obtenidos de biomasa arbórea en follaje, raíces, ramas y tallos para algarrobos fueron de 5,35, 17,06, 14,53 y 9,52 %, respectivamente. La combinación de modelos alométricos permitió calcular la reserva total de C en la plantación de Ceratonia siliqua con precisión y a un menor costo que con los inventarios de campo. Finalmente, se estudiaron los procesos de fragmentación del paisaje asociados a la forestación en tierras agrícolas entre 1990 y 2018, en dos localidades del sur de España (Andévalo y Guadix). Utilizando las bases de datos de cobertura del suelo de Andalucía (1990 y 2018), el análisis PatchAnalyst-ARCgis y Getis-Ord Gi, se calcularon métricas de fragmentación para cuantificar los cambios en la conectividad de los ecosistemas. Se observó que el cambio más significativo de 1990 a 2018 fueron las plantaciones de árboles forestales en Andévalo (Quercus ilex y Q. suber, 22,314.60 ha) y Guadix (Pinus halepensis, 2,532.68 ha). Estos cambios se debieron principalmente a la conversión de uso del suelo de dehesas y arbustos. Los cambios en las métricas de fragmentación reflejaron que la forma de la parcela se volvió "más compleja" y la fragmentación del paisaje se incrementó como consecuencia de la forestación. Las áreas de categorías dominantes de uso de la tierra fueron penetradas por un gran número de parcelas forestadas en el período del plan de forestación de la UE (1993-2010). El presente trabajo de investigación contribuye mediante recomendaciones, implicaciones prácticas y futuras líneas de investigación en el avance de la sostenibilidad mediante los modelos predictivos de distribución de especies forestales, bajo diferentes escenarios de cambio climático en la implementación de adecuadas técnicas de forestación y sistemas agroforestales como contribución a la mitigación del cambio climático, adopción de los sistemas agroforestales y, en garantizar la seguridad alimentaria en el contexto de un desarrollo sostenido y holístico.Departamento de Ingeniería Agrícola y ForestalDoctorado en Ciencia e Ingeniería Agroalimentaria y de Biosistema