Conversion of lowland tropical forests to tree cash crop plantations loses up to one-half of stored soil organic carbon

Abstract

Tropical deforestation for the establishment of tree cash crop plantations causes significant alterations to soil organic carbon (SOC) dynamics. Despite this recognition, the current Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) tier 1 method has a SOC change factor of 1 (no SOC loss) for conversion of forests to perennial tree crops, because of scarcity of SOC data. In this pantropic study, conducted in active deforestation regions of Indonesia, Cameroon, and Peru, we quantified the impact of forest conversion to oil palm (Elaeis guineensis), rubber (Hevea brasiliensis), and cacao (Theobroma cacao) agroforestry plantations on SOC stocks within 3-m depth in deeply weathered mineral soils. We also investigated the underlying biophysical controls regulating SOC stock changes. Using a space-for-time substitution approach, we compared SOC stocks from paired forests (n = 32) and adjacent plantations (n = 54). Our study showed that deforestation for tree plantations decreased SOC stocks by up to 50%. The key variable that predicted SOC changes across plantations was the amount of SOC present in the forest before conversion—the higher the initial SOC, the higher the loss. Decreases in SOC stocks were most pronounced in the topsoil, although older plantations showed considerable SOC losses below 1-m depth. Our results suggest that (i) the IPCC tier 1 method should be revised from its current SOC change factor of 1 to 0.6 ± 0.1 for oil palm and cacao agroforestry plantations and 0.8 ± 0.3 for rubber plantations in the humid tropics; and (ii) land use management policies should protect natural forests on carbon-rich mineral soils to minimize SOC losses.

La deforestación tropical para el establecimiento de plantaciones de cultivos comerciales de árboles provoca alteraciones significativas en la dinámica del carbono orgánico del suelo (SOC). A pesar de este reconocimiento, el actual método de nivel 1 del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC) tiene un factor de cambio de SOC de 1 (sin pérdida de SOC) para la conversión de bosques en cultivos arbóreos perennes, debido a la escasez de datos sobre SOC. En este estudio pantrópico, realizado en regiones de deforestación activa de Indonesia, Camerún y Perú, cuantificamos el impacto de la conversión de bosques en plantaciones agroforestales de palma aceitera (Elaeis guineensis), caucho (Hevea brasiliensis) y cacao (Theobroma cacao) sobre las reservas de SOC a 3 m de profundidad en suelos minerales profundamente meteorizados. También investigamos los controles biofísicos subyacentes que regulan los cambios en las reservas de SOC. Utilizando un enfoque de sustitución espacio-temporal, comparamos las reservas de SOC de bosques emparejados (n = 32) y plantaciones adyacentes (n = 54). Nuestro estudio demostró que la deforestación en favor de plantaciones de árboles redujo las reservas de SOC hasta en un 50%. La variable clave que predijo los cambios de SOC en las plantaciones fue la cantidad de SOC presente en el bosque antes de la conversión: cuanto mayor era el SOC inicial, mayor era la pérdida. Las disminuciones en las reservas de SOC fueron más pronunciadas en la capa superficial del suelo, aunque las plantaciones más antiguas mostraron considerables pérdidas de SOC por debajo de 1 m de profundidad. Nuestros resultados sugieren que (i) el método de nivel 1 del IPCC debería revisarse y pasar de su actual factor de cambio de SOC de 1 a 0,6 ± 0,1 para las plantaciones agroforestales de palma aceitera y cacao y a 0,8 ± 0,3 para las plantaciones de caucho en los trópicos húmedos; y (ii) las políticas de gestión del uso de la tierra deberían proteger los bosques naturales en suelos minerales ricos en carbono para minimizar las pérdidas de SOC.