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Mario Reichenbach

• African tropical soils play a pivotal role in global biogeochemical cycles due to the carbon (C) they store and their support of one of the most productive terrestrial ecosystems worldwide. Multiple socio-economic factors (e.g. rapid population growth, increase in income and consumption per person, expansion of road infrastructure to explore resources, arable land producing for the international market) in tropical Africa has led to a hotspot of modern-day land use change from old-growth forest to cropland, with potentially irreversible changes to soil geochemical properties and health. These properties, in turn, influence the conditions under which C is stabilized in soils. Our understanding of the relationships between C stabilization and geochemical properties is largely derived from studies conducted in temperate regions and tropical regions of America and Asia. However, due to profound differences in climate, landform, local parent material and soil development, the applicabilityAfrican tropical soils play a pivotal role in global biogeochemical cycles due to the carbon (C) they store and their support of one of the most productive terrestrial ecosystems worldwide. Multiple socio-economic factors (e.g. rapid population growth, increase in income and consumption per person, expansion of road infrastructure to explore resources, arable land producing for the international market) in tropical Africa has led to a hotspot of modern-day land use change from old-growth forest to cropland, with potentially irreversible changes to soil geochemical properties and health. These properties, in turn, influence the conditions under which C is stabilized in soils. Our understanding of the relationships between C stabilization and geochemical properties is largely derived from studies conducted in temperate regions and tropical regions of America and Asia. However, due to profound differences in climate, landform, local parent material and soil development, the applicability of this knowledge to tropical Africa is limited. This gap in knowledge of the relationship between mineral C stabilization and geochemical properties and the mechanistic controls on C cycling in these soils constrains our ability to predict C cycling. This thesis aims to present new insights on this topic and provide directions on where future research can focus. The thesis is based on experimental (field and laboratory) studies conducted at various sites within the Eastern Congo Basin and along the Albertine Rift Valley System. It has three major parts: (i) Understanding how the geochemical properties of soil, originating from diverse parent material along a natural forest catena, influence soil organic carbon (SOC) stocks, soil C fractions, and the mechanisms involved in C stabilization; (ii) analyzing how parent material mineralogy and its weathering status impact SOC stocks and soil C turnover after land conversion from tropical forest to cropland on stable landscape positions; and (iii) understanding the impact of lateral soil fluxes on SOC stocks and turnover in sloping and geochemically diverse cropland systems. Specifically, the thesis focused on three contrasting geochemical regions (mafic magmatic rocks, felsic magmatic and metamorphic rocks together with volcanic ashes and a mixture of sedimentary rocks). The first major part, presented in chapter 3, assessed SOC stocks, soil C fractions and the soil ∆14C across geochemical and topographic gradients in pristine rainforests. The findings indicated minimal topographical impact on SOC variables regarding soil fluxes along slopes. However, geochemical soil properties emerged as key explanatory factors. The influence of these variables on SOC is closely linked to reactive mineral surfaces dependent on parent material composition. The greater availability of reactive surfaces favors sorptive C stabilization and the formation of stable aggregates, consequently leading to higher SOC stocks. Variations in the distribution of C associated with microaggregates and the free silt and clay fractions were notably different across geochemical regions and correlated with pedogenic oxide content. This underscores the role of pedogenic oxides in tropical soil aggregate formation, linking two of the most important mineral-related carbon stabilization mechanisms to geochemical variability inherited from parent material. The second major part, presented in chapter 4, evaluated the factors influencing SOC dynamics across geochemical gradients and different land uses (forest versus cropland) at stable plateau positions without erosion. While the controls on SOC stocks and turnover vary across geochemical regions, the overall SOC stocks remain similar despite land use change. Due to the prolonged weathering of these tropical soils, they lack sufficient reactive minerals to stabilize the higher C inputs from forests. This highlights the absence of SOC losses related to land conversion and the prevalence of weakly bound, relatively young, and accessible SOC in these soils. The third major part, presented in chapter 5, focused on the influence of lateral soil fluxes on SOC stocks and turnover in sloping and geochemically diverse cropland systems. This study demonstrates that the distribution of SOC stocks in cropland does not consistently align with the conventional topography-driven patterns that are typically attributed to soil redistribution. SOC stocks in eroding positions are similar to those in non-eroding landscape positions and the recent accumulation of eroded topsoil material at footslopes only slightly increases SOC stocks but presents a potentially substantial yet fragile C sink. In parallel, soil degradation initiates a disruption of the C cycle on numerous hillslopes in the region, although not all. Overall, the results of the thesis demonstrate that, even in deeply weathered tropical soils, parent material has a long-lasting effect on soil geochemistry that can affect (i) SOC stocks, mineral C stabilization and soil microaggregation under natural forest systems. However, the same endmember mineralogy (ii) limits the potential of the investigated soils to stabilize plant C inputs as SOC for long-term and (iii) and minimizes effects of soil erosion on SOC stocks and stabilization. Therefore, soil parent material and its controls on soil geochemistry needs to be taken into account to predict SOC stocks and turnover and to understand mineral C stabilization mechanisms across disturbance gradients of land conversion and soil erosion in the humid African Tropics.…
• Die tropischen Böden Afrikas spielen eine zentrale Rolle im globalen biogeochemischen Kreislauf, da sie Kohlenstoff (C) speichern und eines der produktivsten terrestrischen Ökosysteme weltweit unterstützen. Mehrere sozioökonomische Faktoren (z. B. rasches Bevölkerungswachstum, Anstieg des Einkommens und des Pro-Kopf-Verbrauchs, Ausbau der Straßeninfrastruktur zur Erschließung von Ressourcen, Anbauflächen für den internationalen Markt) in den tropischen Regionen Afrikas haben zu einem Hotspot des modernen Landnutzungswandels von Regenwäldern hin zu Ackerland geführt, der potenziell irreversiblen Veränderungen der geochemischen Eigenschaften und der Gesundheit der hiesigen Böden zur Folge hat. Die genannten Eigenschaften wirken sich wiederum auf die Stabilisierungsbedingungen von C in Böden aus. Unser Wissen über die Zusammenhänge zwischen der Stabilisierung von C und den geochemischen Eigenschaften stammt weitgehend aus Studien, die in gemäßigten und tropischen Regionen Amerikas undDie tropischen Böden Afrikas spielen eine zentrale Rolle im globalen biogeochemischen Kreislauf, da sie Kohlenstoff (C) speichern und eines der produktivsten terrestrischen Ökosysteme weltweit unterstützen. Mehrere sozioökonomische Faktoren (z. B. rasches Bevölkerungswachstum, Anstieg des Einkommens und des Pro-Kopf-Verbrauchs, Ausbau der Straßeninfrastruktur zur Erschließung von Ressourcen, Anbauflächen für den internationalen Markt) in den tropischen Regionen Afrikas haben zu einem Hotspot des modernen Landnutzungswandels von Regenwäldern hin zu Ackerland geführt, der potenziell irreversiblen Veränderungen der geochemischen Eigenschaften und der Gesundheit der hiesigen Böden zur Folge hat. Die genannten Eigenschaften wirken sich wiederum auf die Stabilisierungsbedingungen von C in Böden aus. Unser Wissen über die Zusammenhänge zwischen der Stabilisierung von C und den geochemischen Eigenschaften stammt weitgehend aus Studien, die in gemäßigten und tropischen Regionen Amerikas und Asiens durchgeführt wurden. Aufgrund der signifikanten Unterschiede in Bezug auf Klima, Landform, lokales Ausgangsmaterial und Bodenentwicklung ist die Anwendbarkeit dieses Wissens auf das tropische Afrika jedoch begrenzt. Diese Wissenslücke bezüglich der Beziehung zwischen mineralischer C-Stabilisierung und geochemischen Eigenschaften sowie über die mechanistische Steuerung des C-Kreislaufs in diesen Böden schränkt unsere Möglichkeiten zur Vorhersage des C-Kreislaufs stark ein. Das Ziel dieser Arbeit besteht in der Gewinnung neuer Erkenntnisse hinsichtlich der C-Stabilisierung an reaktiven Mineralen in stark verwitterten Böden sowie der Aufzeigung von möglichen zukünftigen Forschungsschwerpunkten. Die vorliegende Arbeit basiert auf umfassenden empirischen Feld- und Laborarbeiten an unterschiedlichen Standorten im östlichen Kongobecken und entlang des Albertine-Grabensystems, die sich durch unterschiedliche geochemische und topographische Standortbedingungen aus-zeichnen. Im Rahmen der vorliegenden Studien werden folgende Aspekte untersucht: (i) Es wird untersucht, wie die geochemischen Eigenschaften des Bodens, die aus unterschiedlichem Ausgangsmaterial entlang einer Waldkatena stammen, den Bestand an organischem Kohlenstoff (SOC) im Boden, die C-Fraktionen im Boden und die an der C-Stabilisierung beteiligten Mechanismen beeinflussen. (ii) Es wird untersucht, wie sich die Mineralogie des Ausgangsmaterials und dessen Verwitterungsstatus auf den SOC-Bestand und den C-Umsatz im Boden nach der Umwandlung von Tropenwald in Ackerland an stabilen Landschaftspositionen auswirkt. (iii) Zudem wird der Einfluss der lateralen Bodenverlagerung auf den SOC-Bestand und den Umsatz in steilen und geochemisch vielfältigen Ackerlandschaften analysiert. Im Fokus dieser Arbeit stehen drei geochemisch unterschiedliche Regionen: Mafische magmatische Gesteine, felsische magmatisch-metamorphe Gesteine zusammen mit vulkanischen Aschen sowie ein Gemisch aus Sedimentgesteinen. In Kapitel 3 wurden die SOC-Vorräte, die C-Fraktionen im Boden und das ∆14C im Boden über geochemische und topographische Gradienten in unberührten Regenwäldern untersucht. Die Resultate legen nahe, dass die Topographie nur einen geringen Einfluss auf die SOC-Variablen in Bezug auf Bodenverlagerung entlang der Hänge ausübt. Allerdings konnten geochemische Bodeneigenschaften als wichtige Erklärungsfaktoren identifiziert werden. Der Einfluss dieser Variablen auf den SOC-Bestand steht in engem Zusammenhang mit reaktiven mineralischen Oberflächen, deren Zusammensetzung maßgeblich von der Ausgangsmaterialzusammensetzung und dem Verwitterungszustand abhängt. Die größere Verfügbarkeit reaktiver Oberflächen fördert die sorptive C-Stabilisierung sowie die Bildung stabiler Aggregate, was letztlich zu einer Zunahme der SOC-Vorräte führt. Die Verteilung von C, das mit Mikroaggregaten und den freien Schluff- und Tonfraktionen assoziiert ist, wies in den verschiedenen geochemischen Regionen bemerkenswert unterschiedliche Variationen auf, welche mit dem pedogenen Oxidgehalt korrelierten. Dies unterstreicht die Relevanz pedogener Oxide bei der Bildung tropischer Bodenaggregate und verknüpft zwei der wichtigsten mineralischen Kohlenstoffstabilisierungsmechanismen mit der geochemischen Variabilität des Ausgangsmaterials. In Kapitel 4 wurden die Faktoren bewertet, die die SOC-Dynamik an erosionsfreien Plateaustandorten über geochemische Gradienten und kontrastierende Landnutzungen (Wald- und Ackerland) hinweg beeinflussen. Während die Einflussfaktoren auf die SOC-Bestände und den SOC-Umsatz in den verschiedenen geochemischen Regionen unterschiedlich sind, bleiben die SOC-Bestände trotz der veränderten Landnutzung insgesamt ähnlich. Aufgrund der fortgeschrittenen Verwitterung dieser tropischen Böden fehlt es ihnen an ausreichenden reaktiven Mineralen, um die höheren C-Einträge aus den Wäldern zu stabilisieren. Dies unterstreicht das Fehlen von SOC-Verlusten im Zusammenhang mit der Landumwandlung und das Vorherrschen von schwach gebundenem, relativ jungem und mikrobiell zugänglichem SOC in diesen Böden. In Kapitel 5 wurde der Einfluss von lateralen Bodenverlagerungen auf den SOC-Bestand und -Umsatz in steilen und geochemisch vielfältigen Ackerlandschaften untersucht. Die vorliegende Studie demonstriert, dass die Verteilung der SOC-Bestände in Ackerland nicht durchgängig mit den konventionellen, durch die Topographie bedingten Mustern übereinstimmt, die üblicherweise der lateralen Umverteilung des Bodens zugeschrieben werden. Die SOC-Bestände in erodierten Lagen zeigen eine ähnliche Tendenz wie in nicht erodierten Landschaftslagen. Die jüngste Akkumulation von erodiertem Oberbodenmaterial an den Fußhängen führt zu einer geringfügigen Erhöhung der SOC-Bestände, stellt jedoch eine potenziell beträchtliche, wenn auch fragile C-Senke dar. Gleichzeitig führt die Bodendegradation zu einer Unterbrechung des C-Zyklus in zahlreichen, wenn auch nicht allen, Hanglagen der Region. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass das Ausgangsmaterial selbst in tief verwitterten tropischen Böden einen lang anhaltenden Einfluss auf die Bodengeochemie hat. Dieser Einfluss (i) kann die SOC-Vorräte, die mineralische C-Stabilisierung und die Mikroaggregation des Bodens in natürlichen Waldsystemen beeinflussen. Die Mineralogie des Ausgangsmaterials limitiert jedoch (ii) das Potenzial der untersuchten Böden, pflanzliche C-Einträge als SOC langfristig zu stabilisieren, und (iii) minimiert die Auswirkungen der Bodenerosion und -akkumulation auf die SOC-Bestände und die mineralische Kohlenstoffstabilisierung. Daher ist es erforderlich, das Ausgangsmaterial des Bodens und dessen Einfluss auf die Bodengeochemie zu berücksichtigen, um die SOC-Bestände und deren Umsatzrate vorherzusagen und die Stabilisierungsmechanismen von organischem Kohlenstoff entlang Störungsgradienten der Landumwandlung und Bodenerosion in den afrikanischen Feuchttropen zu verstehen.…