Variation in soil organic carbon and nitrogen stocks and forest floor litter of natural and plantation black pine stands in Kastamonu

Abstract

The impacts of stand development stages (SDS) and forest establishment types (FET) on litter amounts, as well as on soil organic carbon (SOC) and total nitrogen (TN) stocks, were investigated in black pine (Pinus nigra Arnold.) forests in Kastamonu. The litter amounts were determined by selecting eight experimental plots: four from natural black pine forests (NBP) and four from black pine plantations (PBP). A total of 24 litter samples were collected from each plot and arranged into three layers (L, F, and H) at the organic horizon. A total of 144 soil samples were collected and analysed for bulk density, SOC, and TN stocks. The results show that the PBP stands accumulated more litter (28.95 Mg ha⁻¹) than the NBP stands (21.4 Mg ha⁻¹). The highest value was found in stage "b" of the PBP stands at 29.59 Mg ha⁻¹, followed by stage "a" of PBP stands at 28.31 Mg ha⁻¹, stage "b" of NBP stands at 22.84 Mg ha⁻¹ and stage "a" of NBP stands at the lowest value of 19.95 Mg ha⁻¹. SOC and TN stocks in NBP stands (140.6 Mg C ha⁻¹ and 4.51 Mg N ha⁻¹) were generally higher than in the PBP stands (105.1 Mg C ha⁻¹ and 4.38 Mg N ha⁻¹), with more SOC and TN being accumulated in the soils of young stands. In this study on black pine forests, it is recommended that natural forests with high SOC and TN stocks be prioritized for conservation to increase carbon storage capacity, while silvicultural interventions (such as appropriate thinning and light management) be planned in plantation areas to accelerate the incorporation of accumulated dense litter into mineral soil. Also, given the decisive impact of stand development stages and soil depth on carbon dynamics, the adoption of site-specific, age-based management strategies in forest management plans is critical for the sustainability of the region's ecosystem. 

Keywords

• Litter accumulation
• Forest establishment type
• Organic horizon
• Carbon sink

Supporting Institution

Kastamonu University, Scientific Research Projects Coordination Department (KUBAP)

Project Number

KUBAP01/2022-41

Thanks

We are thankful to Kastamonu Regional Forest Directorate for permitting us to collect the soil data in the forest sites. This study has been supported by the Kastamonu University, Scientific Research Projects Coordination Department (KUBAP), Kastamonu, Türkiye with the Project number, KUBAP01/2022-41.

Kastamonu’da yetişen doğal ve plantasyon karaçam ormanlarinda toprak organik karbon ve azot stoklari ile ölü örtü miktarindaki değişim

Abstract

Kastamonu'da yetişen karaçam (Pinus nigra Arnold.) ormanlarında meşcere gelişim çağları (SDS) ve orman kuruluş tiplerinin (FET) ölü örtü miktarı, toprak organik karbon (TOK) ve toplam azot (TA) stokları üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Ölü örtü miktarları, dördü doğal karaçam ormanlarından (NBP) ve dördü karaçam plantasyonlarından (PBP) olmak üzere sekiz deneme alanında çalışılmıştır. Her parselden toplam 24 ölü örtü örneği alınmış ve organik horizonun üç katmanına (L, F ve H) göre örnekleme yapılmıştır. Toplam 144 toprak numunesi alınmış ve hacim ağırlığı, TOK ve TA stokları analiz edilmiştir. Sonuçlar, PBP ağaçlarının NBP ağaçlarına (21.4 Mg ha⁻¹) göre daha fazla ölü örtü biriktirdiğini (28.95 Mg ha⁻¹) göstermektedir. En yüksek değer 29.59 Mg ha⁻¹ ile "b" gelişim çağındaki PBP ağaçları iken; bunu sırasıyla 28.31 Mg ha⁻¹ ile "a" gelişim çağındaki PBP ağaçları, 22.84 Mg ha⁻¹ ile "b" gelişim çağındaki NBP ağaçları ile 19.95 Mg ha⁻¹ ile "a" gelişim çağındaki NBP ağaçları takip etmiştir. NBP alanlarındaki TOK ve TA stokları (140.6 Mg C ha⁻¹ ve 4.51 Mg N ha⁻¹) genel olarak PBP alanlarındakinden (105.1 Mg C ha⁻¹ ve 4.38 Mg N ha⁻¹) daha yüksek ve genç meşcere topraklarında daha fazla TOK ve TA birikmiştir. Karaçam ormanlarına yönelik bu çalışmada, karbon depolama kapasitesini artırmak için fazla TOK ve TA stoklarına sahip doğal ormanların öncelikli olarak korunması, plantasyon alanlarında ise biriken yoğun ölü örtünün mineral toprağa karışmasını hızlandıracak silvikültürel müdahalelerin (uygun aralama ve ışık yönetimi gibi) planlanması önerilmektedir. Ayrıca, meşcere gelişim çağlarının ve toprak derinliğinin karbon dinamikleri üzerindeki belirleyici etkisi göz önüne alınarak, orman amenajman planlarında alana özgü ve yaşa dayalı yönetim stratejilerinin benimsenmesi, bölgedeki ekosistemin sürdürülebilirliği açısından kritik önem taşımaktadır.

Keywords

• Ölü örtü birikimi
• Meşcere kuruluş tipleri
• Organik horizon
• Karbon havuzu

Supporting Institution

Kastamonu Üniversitesi Bilimsel Araştırma Koordinatörlüğü (KUBAP)

Project Number

KUBAP01/2022-41

Thanks

Orman alanlarında toprak verilerini toplamamıza izin verdiği için Kastamonu Bölge Orman Müdürlüğü'ne teşekkür ederiz. Bu çalışma, Kastamonu Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinasyon Birimi (KUBAP), Kastamonu, Türkiye tarafından KUBAP01/2022-41 proje numarasıyla desteklenmiştir.

References

1. Akbaş, B., Akdeniz, N., Aksay, A., Altun, İ.E., Balcı, V., Bilginer, E., Bilgiç, T., Duru, M., Ercan, T., Gedik, İ., Günay, Y., Güven, İ.H., Hakyemez, H.Y., Konak, N., Papak, İ., Pehlivan, Ş., Sevin, M., Şenel, M., Tarhan, N., Turhan, N., Türkecan, A., Ulu, Ü., Uğuz, M.F., Yurtsever, A. et al. (2011). 1:1.250.000 ölçekli Türkiye Jeoloji Haritası. Maden Tetkik ve Arama Genel Müdürlüğü Yayını, Ankara-Türkiye (in Turkish publication).
2. An, J.Y., Han, S.H., Youn, W.B., Lee, S.I., Rahman, A., Dao, H.T.T., ... & Park, B.B. (2020). Comparison of litterfall production in three forest types in Jeju Island, South Korea. Journal of Forestry Research, 31(3), 945-952. https://doi.org/10.1007/s11676-019-00929-6
3. Atalay, İ. (2006). Toprak Oluşumu, Sınıflandırılması ve Coğrafyası. Meta Basım Matbaacılık, Çevre ve Orman Bakanlığı, Izmir (in Turkish publication).
4. Barčić, D., Hršak, V., Rosavec, R., & Ančić, M. (2022). Ecological potential of mediterranean habitats for black pine (Pinus nigra JF arnold) in Croatia. Forests, 13(11):1900. https://doi.org/10.3390/f13111900
5. Binkley, D. (1986). Forest nutrition management. John Wiley & Sons.
6. Blake, G.R., & Hartge, K.H. (1986). Bulk density 1. Methods of soil analysis: part 1-physical and mineralogical methods, (methodsofsoilan1), 363-375.
7. Çakır, M., & Makineci, E. (2020). Litter decomposition in pure and mixed Quercus and Fagus stands as influenced by arthropods in Belgrad Forest, Turkey. Journal of Forestry Research, 31(4), 1123-1137. https://doi.org/10.1007/s11676-019-00915-y
8. Cotrufo, M.F., Soong, J.L., Horton, A.J., Campbell, E.E., Haddix, M.L., Wall, D.H., & Parton, W.J. (2015). Formation of soil organic matter via biochemical and physical pathways of litter mass loss. Nature Geoscience, 8(10), 776-779. https://doi.org/10.1038/ngeo2520

9. Craig, M.E., Geyer, K.M., Beidler, K.V., Brzostek, E.R., Frey, S.D., Stuart Grandy, A., ... & Phillips, R.P. (2022). Fast-decaying plant litter enhances soil carbon in temperate forests but not through microbial physiological traits. Nature Communications, 13(1), 1229. https://doi.org/10.1038/s41467-022-28715-9
10. Ding, Z., Su, Z., Gu, Z., Wu, X., Lin, X., & Zhang, Q. (2026). Plant diversity and precipitation gradients drive litter return and SOC in alpine vegetation. Carbon Balance and Management, 21(1), 3. https://doi.org/10.1186/s13021-025-00362-9
11. Domke, G.M., Perry, C.H., Walters, B.F., Woodall, C.W., Russell, M.B., & Smith, J.E. (2016). Estimating litter carbon stocks on forest land in the United States. Science of the Total Environment, 557, 469-478. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2016.03.090
12. FAO- Unesco (1978). Soil Map of the world 1:5,000,000. 10 vols. Paris: UNESCO.
13. Farooq, T.H., Li, Z., Yan, W., Shakoor, A., Kumar, U., Shabbir, R., ... & Chen, X. (2022). Variations in litterfall dynamics, C: N: P stoichiometry and associated nutrient return in pure and mixed stands of camphor tree and masson pine forests. Frontiers in Environmental Science, 10:903039. https://doi.org/10.3389/fenvs.2022.903039
14. Farooq, T.H., Yan, W., Chen, X., Shakoor, A., Rashid, M.H.U., Gilani, M.M., ... & Wu, P. (2020). Dynamics of canopy development of Cunninghamia lanceolata mid-age plantation in relation to foliar nitrogen and soil quality influenced by stand density. Global Ecology and Conservation, 24:e01209. https://doi.org/10.1016/j.gecco.2020.e01209
15. Flower-Ellis, J.G.K., Olsson, L., 1978. Litterfall in an age series of scots pine stands and its variation by components during the years 1973-1976. Swedish Coniferous Project, Technical Report, 15:1-62.
16. Heimann, M., & Reichstein, M. (2008). Terrestrial ecosystem carbon dynamics and climate feedbacks. Nature, 451(7176), 289-292. https://doi.org/10.1038/nature06591
17. Inagaki, Y., Miura, S., & Kohzu, A. (2004). Effects of forest type and stand age on litterfall quality and soil N dynamics in Shikoku district, southern Japan. Forest Ecology and Management, 202(1-3):107-117. https://doi.org/10.1016/j.foreco.2004.07.029
18. Jorgensen, J.R., Wells, C.G., & Metz, L.J. (1975). The nutrient cycle: key to continuous forest production. Journal of Forestry, 73(7), 400-403. https://doi.org/10.1093/jof/73.7.400
19. Kulmann, M.S.D.S., Dick, G., & Valdir Schumacher, M. (2021). Litterfall and accumulated nutrients in Pinus taeda plantation and native forest in Southern Brazil. Forests, 12(12), 1791. https://doi.org/10.3390/f12121791
20. Lal, R. (2005). Forest soils and carbon sequestration. Forest Ecology and Management, 220(1-3), 242-258. https://doi.org/10.1016/j.foreco.2005.08.015
21. Lee, J., Hopmans, J.W., Rolston, D.E., Baer, S.G., & Six, J. (2009). Determining soil carbon stock changes: simple bulk density corrections fail. Agriculture, Ecosystems and Environment, 134(3-4), 251-256. https://doi.org/10.1016/j.agee.2009.07.006
22. Makineci, E. (1999). Araştırma ormanındaki baltalıkların koruya dönüştürülmesi işlemlerinin ölü örtü ve topraktaki azot değişimine etkileri. Doktora Tezi, İstanbul Üniversitesi, 213s. İstanbul). (in Turkish Doctoral dissertation).
23. Ni, X., Lin, C., Chen, G., Xie, J., Yang, Z., Liu, X., ... & Yang, Y. (2021). Decline in nutrient inputs from litterfall following forest plantation in subtropical China. Forest Ecology and Management, 496, 119445. https://doi.org/10.1016/j.foreco.2021.119445
24. OGM (2020). Türkiye Orman Varlığı. OGM Ofset Yayınevi, s.56, Ankara, Türkiye (in Turkish publication).
25. Peichl, M., & Arain, M.A. (2006). Above-and belowground ecosystem biomass and carbon pools in an age-sequence of temperate pine plantation forests. Agricultural and Forest Meteorology, 140(1-4), 51-63. https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2006.08.004
26. Sariyildiz, T., Savaci, G., & Kravkaz, I.S. (2015). Effects of tree species, stand age and land-use change on soil carbon and nitrogen stock rates in northwestern Turkey. iForest-Biogeosciences and Forestry, 9(1), 165. https://doi.org/10.3832/ifor1567-008
27. Sarıyıldız, T., Savacı, G., Parlak, S., & Gencal, B. (2022). Uludağ göknarı (Abies nordmanniana subsp. bornmülleriana Mattf.) meşcerelerinin toprak organik karbon, toplam azot ve besin element konsantrasyonları ve stokları üzerinde bakı ve yükseltinin etkisi. Artvin Çoruh Üniversitesi Orman Fakültesi Dergisi, 23(2), 159-174. https://doi.org/10.17474/artvinofd.1117690
28. Sarıyıldız, T., Varan, S., & Duman, A. (2008). Ölü örtü ayrışma oranları üzerinde kimyasal bileşenlerin ve yetişme ortamı özelliklerinin etkisi: Artvin ve Ankara yöresine ait örnek bir çalışma. Kastamonu Üni. Orman Fakültesi Dergisi, 8(2), 109-119.
29. Savacı, G., & Sarıyıldız, T. (2020). Determination of changes in soil organic carbon and total nitrogen stocks under different stand age of Kazdağı Fir (Abies nordmanniana subsp. equi-trojani (Steven) Spach). Bartın Orman Fakültesi Dergisi, 22 (2), 532-543. https://doi.org/10.24011/barofd.668329
30. Savacı, G., & Doğan, Y. (2023). The effects of stand development stages on soil carbon and nitrogen stocks in black pine, scots pine and fir stands in Türkiye. Journal of the Institute of Science and Technology, 13(4), 3007-3020. https://doi.org/10.21597/jist.1121420
31. Tecimen, H.B., Sevgi, O., Yılmaz, O.Y., Carus, S., Kavgacı, A., & Akburak, S. (2019). Estimation of forest litter fractions by regression analysis in different aged stands of Pinus nigra. Bosque, 40(1), 41-48. https://doi.org/10.4067/S0717-92002019000100041
32. Tolunay, D., & Çömez, A. (2008). Türkiye ormanlarında toprak ve ölü örtüde depolanmış organik karbon miktarları. Hava Kirliliği ve Kontrolü Ulusal Sempozyumu, 22-25 Ekim 2008, Hatay. 750-765 (in Turkish publication).
33. Trap, J., Bureau, F., Vinceslas-Akpa, M., Chevalier, R., & Aubert, M. (2009). Changes in soil N mineralization and nitrification pathways along a mixed forest chronosequence. Forest Ecology and Management, 258(7), 1284-1292. https://doi.org/10.1016/j.foreco.2009.06.021
34. URL-1 (2022). 05/06/2022 https://mgm.gov.tr/veridegerlendirme/il-ve-ilceler-istatistik.aspx?k=H accessed from the address.
35. Yang, Y., Guo, J., Chen, G., Yin, Y., Gao, R., & Lin, C. (2009). Effects of forest conversion on soil labile organic carbon fractions and aggregate stability in subtropical China. Plant and Soil, 323(1), 153-162. https://doi.org/10.1007/s11104-009-9921-4
36. Zhang, X., Luo, Y., Liang, Q., Liu, K., Zhang, Y., Tian, S., ... & Li, J. (2025). Effects of litter layer alterations caused by increasing stand age on the seed germination and seedling establishment of Robinia pseudoacacia plantations. Forest Ecology and Management, 594, 122960. https://doi.org/10.1016/j.foreco.2025.122960