Methods of Studying Mangroves

10
3.3. Methods of studying Mangroves Prof. K. Kathiresan Centre of Advanced Study in Marine Biology Annamalai University his chapter deals with methods of studying mangroves, with some modifications of the internationally recognized scientific methods as proposed by the Australian Institute of Marine Sciences (English et al., l997). While studying a mangrove area, baseline data on area map, area description, tidal amplitude, rainfall, evapotranspiration in the study area have to be collected. 3.3.1. Tidal flooding/inundation: The frequency and duration of tidal flooding is important in determining the zonation, distribution and species composition of mangrove forests. Some workers have been content to subdivide mangrove areas into low, midand highintertidal areas. This is somewhat arbitrary division, hard to quantify and makes comparisons difficult between areas with differing tidal regimes. A more quantitative approach was used by Watson (1928), who divided mangrove areas into 5 inundation classes: Class 1: inundated by all high tides Class 2: inundated by medium high tides Class 3: inundated by normal high tides Class 4: inundated by spring tides; and Class 5: occasionally inundated by exceptional or equinoctial tides In many cases, these inundation classes may be quantified in terms of number of times per month that an area is inundated tidally. However, Watson’s classification scheme is still somewhat arbitrary and its use is restricted largely to the mangrove areas of Malaysia, for which it was originally devised. There is a need for more quantitative description of tidal inundation classes that is both ecologically and hydrologically meaningful across a wide range of tidal regimes. T

description

Methods of Studying Mangroves

Transcript of Methods of Studying Mangroves

3.3. Methods of studying Mangroves   

Prof. K. Kathiresan 

Centre of Advanced Study in Marine Biology  Annamalai University 

 

his chapter deals with methods of studying mangroves, with some modifications of the internationally recognized scientific methods as 

proposed by  the Australian  Institute of Marine Sciences  (English et al., l997).  While studying a mangrove area, baseline data on area map, area description,  tidal  amplitude,  rainfall,  evapo‐transpiration  in  the  study area have to be collected.  

 3.3.1. Tidal flooding/inundation: 

The  frequency  and  duration  of  tidal  flooding  is  important  in determining  the  zonation,  distribution  and  species  composition  of mangrove  forests.  Some  workers  have  been  content  to  subdivide mangrove  areas  into  low‐,  mid‐  and  high‐intertidal  areas.  This  is somewhat arbitrary division, hard  to quantify and makes comparisons difficult between areas with differing tidal regimes. A more quantitative approach was used by Watson (1928), who divided mangrove areas into 5 inundation classes: 

  Class 1: inundated by all high tides 

  Class 2: inundated by medium high tides 

  Class 3: inundated by normal high tides 

  Class 4: inundated by spring tides; and 

Class  5:  occasionally  inundated  by  exceptional  or  equinoctial tides 

  In many  cases,  these  inundation  classes may  be  quantified  in terms of number of  times per month  that an area  is  inundated  tidally. However, Watson’s classification scheme is still somewhat arbitrary and its use is restricted largely to the mangrove areas of Malaysia, for which it  was  originally  devised.  There  is  a  need  for  more  quantitative description  of  tidal  inundation  classes  that  is  both  ecologically  and hydrologically meaningful across a wide range of tidal regimes.  

117 Methods of studying Mangroves

3.3.2. Forest structure of vegetation: 

In  spite  of  numerous  papers  on  mangrove  floristics,  systematics, phytogeography  and  related  topics,  there  is  only  little  published information  available  on mangrove  forest  structure.  The  comparative value  of many  of  the  available  studies  is  not  as  great  as  it  could  be; author’s  differing  research  goals  have  led  to  the  adoption  of  non‐uniform measurement techniques, yielding results that are often difficult to compare with others.   The architecture of a forest is influenced by the  magnitudes  and  periodicities  of  such  forcing  functions  as  tides, nutrients,  hydroperiod,  and  stressors  like  hurricanes,  drought,  salt accumulation and frost. Because the action of these factors varies widely over  geographic  regions, mangrove  stands  exhibit wide  regional  and local variation in structural characteristics. Also, where species diversity is high, structural variation is even greater (English et al., 1997). 

   In  1974, Lugo  and Snedaker developed  a  classification  scheme for mangroves based on  tidal and hydroperiod characteristics.  Implicit in  their scheme was  the assumption  that  this environmental factor was the most  important  component of  the energy  signature of a mangrove forest  (Lugo  and  Snedaker,  l974).  This  classification  system,  further modified  by  Cintron  et  al.  (1980),  serves  to  identify  some  common patterns of mangrove response to varying environmental conditions and it  remains  a  useful  framework  for  the  first‐approximation  in classification  of  mangrove  stands.  As  amended,  it  recognized  three general  forest  types:  riverine,  fringe  and  overwash,  and  basin. Dwarf, scrub  and  hammock  mangroves  are  recognized  as  special  sub‐types responding to localized geologic of edaphic conditions. As a general rule, riverine  forests  exhibit  the  highest  level  of  structural  development, followed by basin, and finally by fringe and overwash types. 

    In  1973,  researches  began  searching  for  the  most  meaningful ecosystem  parameters  to  use  in  rapid  characterization  of  mangrove stands  over  wide  geographic  areas;  the  methods  and  parameters selected  needed  to  be  simple,  time‐cost  effective  and  universally applicable. A  survey of  some  twenty‐five mangrove  stands  in Florida, Puerto Rico and Costa Rica was undertaken to test the methods chosen (Pool  et  al.,  1977).  Since  then  similar  techniques  have  been  used  to describe  Puerto  Rican  mangroves  (Martinez  et  al.,  1979),  mangrove stands in Brazil (Novelli et al., 1980) and Costa Rica (Jimenez, 1981). The structural data available as of 1980 have been reviewed by Cintron et al. (1980)  and  by  Cintron  and  Novelli  (1983).  By  analyzing  the  forest 

K. Kathiresan 118

vegetation characteristics  to calculate  the following (Cintron & Novelli, 1984):  

Complex  Index:  It  denotes  the  diversity  and  abundance  of flora within the   forest  community.    It  is  calculated combining the number of species, stand  density,  basal  area and height. 

Importance  value  index  (IVI):  It  indicates  the  structural importance of a   species within a stand of mixed species.  It is calculated by summing up   the  relative  percentages  of basal area, density and frequency, each  weighed  equally  for each species, relative to the same dimensions for the   entire stand. 

 Data to be collected and processed in the following steps: 

• The study site will be selected using GPS 

• Transact line is perpendicular to the shoreline. The length depends  on  the  vegetation  type  (dense  and    sparse; zonation pattern) 

• The plot dimension is 10 m x 10 m.  

• Within each plot, counts are made for tree counts; and in 1 m  x  1 m  sub‐plot  counts  are made  for  seedlings  and sapling. 

• Counting the numbers of three class of maturity namely, trees, saplings and seedlings by species within the plot 

• Trees  more  than  4  m  are  measured  species  wise  for numbers and Girth at a breast height of 1.3 m 

• Saplings  between  1‐4  m  and  seedlings  below  1  m  are counted species wise for numbers 

• Measure height of all the individuals species wise 

• No. of benthic  individuals of major groups  in 0.25 x 0.25 m quadrates will be counted.  

 Data processing: 

• Density  is  measured  species  wise  and  total  in  each  plot  as follows: 

119 Methods of studying Mangroves

o Density of each species (no/ha)= no. x 10,000 m2 / area of plot in m2 

o Total density of all species   =  sum of all species densities 

• Basal  area  is measured  species wise  and  total  in  each  plot  as follows: 

o Basal area  (m2) of each species = 0.005 x DBH 

o Total basal area of all species (m2/ha)= sum of all species basal area / area of plot in m2 x 10,000 m2 

• Relative  density  =  no.  of  individuals  of  a  species  /  total  no.  of individuals of all species x100 

• Relative dominance = total basal area of a species / basal area of all species x 100 

• Relative  frequency =  frequency of species/  total  frequency of all species in different plots x 100 

• Importance  value  of  a  species  =  relative  density  +  relative dominance + relative frequency 

• Complex Index = number of species + stand  density  +  basal  area + height. 

• Species  diversity  is  described  according  to  the  Shannon  index (H)  based  on  importance  value  of  a  species  (Ni)  and  sum  of importance value for all the species (N). 

  H = Ni/N log Ni/N 

 3.3.3. Forest leaf area index, net canopy photosynthesis and biomass 

Measurements  of  light  absorption  by  the  forest  canopy  are  used  to estimate  leaf  area  index  (m2  leaf  area m‐2  ground  area).  The  leaf  area index may  then  be  converted  to  net  canopy  photosynthesis  using  the average rate of photosynthesis per unit  leaf area. The method  is useful for comparisons between  forests over a wide range of  forest  types and distributions,  and  for  monitoring  changes  in  a  particular  forest. However,  it  does  not  provide  a  reliable  estimate  of  the  net  primary productivity (English et al., 1997). 

The method described by Bunt et al. (1979) has been used widely in recent years to estimate ‘potential’ primary productivity in mangrove forests. The method was based on that originally described by Kirita and Hozumi  (1973)  in  studies  of  oak  forests,  where  the  amount  of  light 

K. Kathiresan 120

absorbed  by  the  mangrove  canopy  is  related  to  the  total  canopy chlorophyll  content.  Canopy  chlorophyll  concentration  was  then multiplied by a rate of carbon fixation per unit of chlorophyll to give an estimate  of  ‘potential’  primary  productivity.  However,  recent  work  suggests  that  figures  calculated using  the method  of Bunt  et al.  (1979) significantly underestimate ‘potential’ primary productivity. 

  English  et  al.,  (1997)  proposed  uses  of  the  same  techniques  to collect data, and  the same primary dataset as  the method of Bunt et al. (1979),  but  a  different,  and  theoretically  more  robust,  method  of calculation to provide an estimate of canopy leaf area index. This index can be multiplied by  the average rate of canopy photosynthesis  (if  it  is known)  to  provide  an  estimate  of  net  canopy  according  to  the relationship: 

I=Ioe‐kL 

  where: I = photon flux density beneath the canopy 

  Io = photon flux density incident on the top of the canopy (in  this case at ground  level  in a  fully exposed position outside the canopy) 

    L = leaf area index (m2 leaf area m‐2 ground area) 

    K = canopy light extinction coefficient that is determined  

       by the angle and spatial arrangement of the leaves           

This  relationship  is  used  widely  in  agriculture  and  forestry.  The equation can be rewritten as L= loge (I/Io) (m2 leaf area m‐2 ground area) 

                ‐k 

This  equation  allows  the direct  estimation  of  leaf  area  index  from  the ratio  of  light  flux  density  below  and  above  the  canopy  (I/Io),  and  the canopy light extinction coefficient, k. 

  The  ratio,  I/Io,  is measured  using  the  same  techniques  as  that described  by  Bunt  et  al.  (1979).  However,  English  et  al.  (1997) recommends  that  the value of k used  to obtain an estimate of  leaf area index  should  be  0.5.  This  is  based  on  a  number  of  studies  that  have shown that k commonly lies between 0.4 and 0.65 in mangrove canopies, with an average about 0.5. Using a value for k of 0.5, and values for I/Io obtained from field measurements, it is possible to obtain an estimate of leaf area index (L.) Net canopy photosynthesis per unit leaf area (A) and day length values for leaf area index vary with species, soil salinity, and  

121 Methods of studying Mangroves

climatic conditions: in harsh conditions (hot, dry, and cloudless climate and a high soil salinity of 25 ppt).   A is usually about 0.216 g C m‐2 leaf hour‐1; under  favourable  conditions  (cloudy  and humid  climate  and  a low soil salinity of 20 ppt)  A may reach 1.0 g C m‐2 leaf hour‐1 (Andrews and Muller, 1985; Clough and Sim, 1989; Cheeseman et al., 1991). While it  is desirable  to measure  the actual rate of photosynthesis at each site, approximate  rates  of  0.216  g  C m‐2  leaf  hour‐1  can  be  used  for  harsh conditions,  and  0.648  g  C  m‐2  leaf  hour‐1  for  favourable  conditions (English et al., 1997).       Action: 

Measure  light  intensity above  canopy or  in open  space  (Io) and under canopy  (I)  between  10  a.m  –  2  p.m  ,  using  a  lux meter  to measure leaf area index (in unit uE/m2/sec)  

Data processing: 

Leaf area index and net canopy photosynthesis are calculated as follows: 

Leaf area index = loge (I/Io) / ‐k m2 leaf area /m2 area of ground (where k value is 0.5) 

Leaf  area  index  correction  = Leaf  area  index  x Cos  (O  x  3.141593/180) (where  0  is  zenith  Angle  of  the  sun  for  a  given  latitude, longitude, date and time of day from internet). 

Net canopy photosynthesis = Leaf area x rate of photosynthesis (0.216 g C /m2) x day length 

     Measurements  of Girth  at Breast Height  (GBH)  or Diameter  at Breast Height  (DBH)  can  be  used  to  calculate  above  ground  biomass using allometric relationships between GBH (or DBH) and the biomass of individual plant parts (Ong et al., 1984; Putz and Chan, 1986; Clough and  Scott,  1989).  Coefficients  for  these  allometric  relationships  for  a number  of  species  are  summarized  by  Clough  (1992).    Recently  a common  allometric  equation  for  estimating  the  tree  weight  of mangroves has been proposed (Komiyama et al., 2005) as follows. 

  Leaf weight                  =  0.126p (D2B)0.848 

  Above ground weight  =  0.247p (D2)1.23 

  Root weight         =  0.196p0.899 (D2)1.11 

   

K. Kathiresan 122

Tree trunk weight         =  0.687p (D2H)0.931 

   

Where D – Trunk diameter at breast height at 30  cm above ground  in Rhizophoraceae members. 

DB – Trunk diameter at the lowest living branch 

H – tree height 

P –wood density of trunk   

 3.3.4. Mangrove Soil analysis 

Soil characteristics are one of the most important environmental factors directly  affecting  mangrove  productivity  and  structure.  The  major physical  and  chemical  properties  of  the  mangrove  soils  are  pH (hydrogen ion concentration), Eh (Redox, potential), salinity and particle size. 

The acidity of  the soil  influences  the chemical  transformation of most nutrients and their availability to plants. Most mangrove soils are well buffered, having a pH in the range of 6 to 7, but some have a pH as low as 5. Measurement of the acidity or alkalinity of soils using pH must be done with fresh samples to avoid oxidation of iron pyrites (a common constituent  of mangrove  soils)  to  sulphuric  acid,  thus  giving  a much lower value of pH than normally occurs in situ (English et al. 1997). 

Since  mangrove  soils  are  typically  waterlogged,  and  hence anaerobic,  microbial  decomposition  takes  place  through  a  series  of oxygen‐reduction  (redox)  processes.  The  redox  potential  (Eh)  is  a quantitative measure  of  reducing  power which  provides  a  diagnostic index  of  the  degree  of  anaerobiosis  or  anoxia  (Patrick  and  Delaune, 1977). Totally  anoxic  sediments have  redox potentials  below  ‐200 mV, while  typical oxygenated  soils have potentials of  above  +300 mV. The measurement  of  Eh  has  been  used  as  a  rapid means  of  assessing  the potential  impact  of  additional  organic  input  to  marine  sediment (Pearson  and  Stanley,  1979).  Reliable measurements  of  redox  require great care to minimize exposure of the soil sample to air (English et al., 1997). 

The  salinity  of  mangrove  soils  has  a  significant  effect  on  the growth  and  zonation  of mangrove  forests.  The majority  of mangrove species grow best in low to moderate salinities (25 ppt), although there appear to be marked differences in the ability of species to tolerate very 

123 Methods of studying Mangroves

high salinities. In the past, soil salinity was measured in pore water that drained  into  a hole made  by  removing  a  sediment  core. This  is not  a reliable measure of soil salinity because of uncertainly about the source of  water  filling  the  core  hole.  The  method,  in  which  pore  water  is physically  squeezed  from  the  soil  sample,  is  preferred  (English  et  al., 1997). 

Two methods are presented for the analysis of soil particle size: a ‘hydrometer  method’  (after  Bouyoucos,  1962)  and  ‘pipette  method’ (after Buchanan, 1984). All soils and sediment (unconsolidated or ‘loose’ deposits) are composed of particles with a wide range of sizes. These are generally  divided  into  3  major  groups:  gravel  (greater  than  2 millimetres),  sand  (0.062  ‐  2 millimetres)  and mud  (silt  and  clay). The mud  fraction  is  further  divided  into  coarse  silt  (62‐15.6  μm),  fine  silt (15.6‐3.9μm) and  clay  (less  than 3.9  μm). A graded  scheme  for  soils  is given  by  the  Wentworth  Grade  Scale  (Folk,  1974).  The  species composition  and  growth  of  mangroves  is  directly  affected  by  the physical composition of mangrove soils. The proportions of clay, silt and sand, together with the grain size, dictate the permeability (or hydraulic conductivity)  of  the  soil  to  water,  which  influences  soil  salinity  and water  content.  Nutrient  status  is  also  affected  by  the  physical composition  of  the  soil with  clay  soils, which  are  generally  higher  in nutrients than sandy soils (English et al., 1997).  Action: 

• If it is soft soil, a corer of 50 cm height and 5cm diameter is used.   

• If it is hard soil, dig a hole at 50 cm using a crowbar.  

• The soil at 2 depths namely 10 cm and 40 cm will be measured for temperature using   a thermometer with 0.5° accuracy and for pH and redox potential using a pH/millivoltmeter with platinum electrode.   

• The soil collected at the two depth will be strained  using a  20 ml syringe    to  collect  pore  water  for  analysis  of  salinity  using  a refractometer.   

• The soil samples collected at the two depth will be transferred to laboratory  immediately  in  sterile  polythene  bags  and  analysed for moisture,  nutrients,  trace  elements  and microbial  counts  as well as soil composition analysis.   

• For each site, three replicates from each sampling plot are used. 

K. Kathiresan 124

References Bouyoucos, G.J., 1962. Hydrometer method  improved  for making particle size 

analysis of soils. Agronomy J., 54: 464‐465. 

Buchanan,  J.B.,  1984.  Sediment  analysis.  In: Holme N.A.  and A.D. McIntyre (eds.),  Methods  for  the  study  of  Marine  Benthos.  Blackwell  Scientific Publictaions, London, pp. 41‐65. 

Bunt, J.S., 1979. Studies on mangrove litter fall in tropical Australia. In: Clough, B.F.  (ed.),  Proc. Australian Natl. Mang. Workshop, Australian  Institute  of Marine Science, Cape Ferguson, 223‐237. 

Cintron  G.,  A.E.  Lugo  and  R.  Martinez,  1980.  Structural  and  functional properties of mangrove forests. Symposium signaling the completion of the ‘Flora of Panama’. Panama City, University of Panama. 

Cintron, G. and Y.S. Novelli, 1984. Methods  for studying mangrove structure. In: Snedaker, S.C. and  J.G. Snedaker  (eds.), The Mangrove Ecosystem: Research Methods. Unesco, Paris, pp. 91‐113. 

Cintron,  G.,  A.E.  Lugo  and  R.  Martinez,  1980.  Structural  and  Functional Properties of Mangrove Forests. Symposium Signalling the Completion of the ‘ Flora of Panama’. Panama City, University of Panama. 

Clough, B.F. and B.G. Sim, 1989. Changes  in gas exchange characteristics and water use efficiency of mangroves  in  response  to  salinity and vapour pressure deficit. Oecologia, 79: 38‐44. 

Clough, B.F. and K. Scott, 1989. Allometric relationships for estimating above‐ground biomass  in six mangrove species. Forest Ecol. Manage., 27: 117‐127. 

Clough, B.F., 1992. Primary productivity and growth of mangrove  forests. pp. 225‐249.  In:  Robertson,  A.I.  and  D.M.  Alongi  (eds.).  Trophical Mangrove Ecosystems. American Geophysical Union, Washington, DC. 329 p. 

English,  S.,  C. Wilkinson  and  V.    Basker,  1997.  Survey manual  for  tropical marine  resources  (2nd Ed). Australian Institute of Mar. Sci.. Townsville, pp.119‐195. 

Folk,  R.L.,  1974.  Petrology  of  sedimentary  rocks.  Hemphill  Publishing  Co., Austin, Texas, 182p. 

Koch, M.S.  and  S.C.  Snedaker,  1997.  Factors  influencing Rhizophora mangle L. seedling development in Everglades carbonate soils. Aqua. Bot., 59(1‐2): 87‐98 

Komiyama,  A.,  Sasitorn  Ponungparn  and  Shogo  Kato,  2005.  A  common allometric equation for estimating the tree weight of mangroves. J. Trop. Ecol., 21: 471‐477. 

Lugo, A.E. and S.C. Snedaker, 1974. The ecology of mangroves. Annual Review of Ecology and  Systematics, 5: 39‐63. 

125 Methods of studying Mangroves

Martinez, R., G. Cintron and L.A. Encarnacion, 1979. Mangroves in Puerto Rico: A  Structural  Inventory.  San  Juan,  Department  of  Natural  Resources, (Final Report office of Coastal Zone Management, NOAA), 149 p. 

Ong,  J.E., W.K. Gong, C.H. Wong  and G. Dhanarajan,  1984. Contribution  of aquatic productivity in managed mangrove ecosystem in Malaysia. In: Soepadmo, E., A.N. Rao  and D.J. Macintosh  (eds.),  Proc. Asian Symp. Mang. Env.: Res. & Manage. University of Malaya, Kuala Lumpur, pp. 209‐215. 

Patrick,  W.H.  Jr.  and  R.D.  Delaune,  1977.  Chemical  and  biological  redox systems  affecting  nutrient  availability  in  the  coastal  wetlands. Geoscience and Man, 18: 131‐137. 

Pearson, T.H. and S.O. Stanley, 1979. Comparative measurement of  the  redox potential of marine sediments as a rapid means of assessing the effect of organic pollution. Mar. Biol., 53: 371‐379. 

Pool, D.J., S.C. Snedaker and A.E. Lugo, 1977.  structure of mangrove forests in Florida, Puerto Rico, Mexico and Costa Rica. Biotropica, 9: 195‐212. 

Putz, F.E.  and H.T. Chan,  1986. Tree  growth, dynamic  and productivity  in  a mature mangrove forest in Malaysia. Forest Ecol. Manage., 17: 211‐230.