Trace gas fluxes from soils and tree stems of rainforests and cacao agroforests in the Congo Basin, Cameroon

Tropische Regenwälder spielen eine entscheidende Rolle in biogeochemischen Kreisläufen und der globalen Klimadynamik. Dennoch bleiben die Forschungsbemühungen zur Quantifizierung der Hauptquellen und -senken von Treibhausgasen hinter denen anderer Biome zurück. Der afrikanische Kontinent gehört zu den am wenigsten erforschten Regionen weltweit, und die Auswirkungen von Landnutzungsänderungen auf Treibhausgase stellen eine wichtige Forschungslücke im Treibhausgasbudget Afrikas dar. Jüngste Studien in Feuchtgebieten und gemäßigten Wäldern haben Nachweise für die Distickstoffmonoxid- (N2O) und Methan- (CH4) Emissionen von Baumstämmen geliefert, aber die Größenordnung der Beiträge der Bäume zu den gesamten (Boden + Stamm) N2O- und CH4-Emissionen aus tropischen Regenwäldern auf stark verwitterten Böden bleibt unbekannt. Angesichts dieser Wissenslücken besteht diese Arbeit aus zwei Studien, die darauf abzielen, Veränderungen der N2O- und CH4-Flüsse in Stamm und Boden, sowie die Kohlenstoffdioxid (CO2)-Flüsse im Boden bei der Umwandlung von Wald in Kakao-Agroforstwirtschaft zu quantifizieren. Die Studie wurde an drei Standorten (Dörfern) in Zentral- und Südkamerun durchgeführt, die alle auf stark verwitterten Böden liegen. Um die Auswirkungen von Landnutzungsänderungen auf die Treibhausgasflüsse von Stamm und Boden zu bewerten, untersuchten wir an jedem Standort zwei Landnutzungssysteme: den Referenzwald und das umgestellte Kakao-Agroforstsystem. An jedem Standort wählten wir für jede Landnutzung vier Wiederholungsflächen (je 2500 m2) aus. Die Boden- und Stamm-Treibhausgasflüsse wurden von April 2017 bis April 2018 monatlich mit belüfteten statischen Hauben (4 Hauben pro Fläche) bzw. Stamm-Hauben (6 Bäume pro Fläche) gemessen. In jeder Messperiode wurden auch bekannte boden- und klimaregulierende Faktoren gemessen. Das Ziel der ersten Studie war es, die Veränderungen der N2O-Flüsse in Stamm und Boden bei der Umwandlung von Wald in Kakao-Agroforstwirtschaft zu quantifizieren. Zusätzlich führten wir als Folgestudie ein 15N-Rückverfolgungsexperiment an einem der Standorte durch, um die Quelle der Stamm-N2O-Emissionen ausfindig zu machen. Unsere Ergebnisse zeigten, dass Bäume auf gut entwässerten, stark verwitterten Böden als wichtiger N2O-Emissionspfad dienten, mit dem Potenzial, bis zu 38% der Flüsse in den Wäldern und bis zu 15% der Flüsse in den Kakao-Agroforstwäldern zu übersehen, wenn die Baumstämme nicht im N2O-Budget des Ökosystems berücksichtigt werden. Die Rückverfolgung des 15N-Isotops vom mineralischen Bodenstickstoff auf das von den Stämmen emittierte 15N2O lässt vermuten, dass das von den Stämmen emittierte N2O überwiegend aus dem im Boden produzierten N2O stammt. Darüber hinaus hatte die Umstellung der Wälder auf Kakao-Agroforstwirtschaft keine Auswirkungen auf die N2O-Emissionen von Stämmen und Böden aufgrund von Ähnlichkeiten in der Bodenfeuchte und Bodenbeschaffenheit, Abwesenheit von Düngemittel und vergleichbarer Präsenz von leguminosen Baumarten in beiden Landnutzungssystemen, was den Stickstoff- Export aus Ernte oder anderen Verlusten ausgleichen kann. Für unsere zweite Studie untersuchten wir Veränderungen der CH4-Flüsse in Stamm und Boden sowie die CO2-Flüsse im Boden bei der Umwandlung von Wald in Kakao-Agroforstwirtschaft. Die Umwandlung von Wald in Kakao-Agroforstwirtschaft hatte keine Auswirkungen auf die CH4- und CO2-Flüsse von Stamm und Boden. Die Abwesenheit von Unterschieden könnte auf die vergleichbare Bodentextur und Bodenfeuchtigkeit zwischen beiden Landnutzungen zurückzuführen sein, welche das Diffusionsvermögen von Gasen in den Boden hinein und aus dem Boden heraus beeinflussen. Alle untersuchten Bäume emittierten irgendwann während der Untersuchungsperiode messbares CH4. In beiden Landnutzungen waren die Baumstämme Nettoquellen von CH4, während die Böden Netto-CH4-Senken waren. Unsere Hochskalierung deutet darauf hin, dass die Baumstammemissionen 3 bis 18% der jährlichen CH4-Senkung des Bodens in beiden Landnutzungen ausgleichen. Diese Studie liefert die ersten ganzjährigen und räumlich replizierten Quantifizierungen der Stamm- und Boden-Spurengasflüsse für das Kongobecken, mit entscheidenden Auswirkungen auf verbesserte Schätzungen der Spurengasbudgets für Afrika. Unsere Ergebnisse zeigen zum ersten Mal, dass N2O- und CH4-Emissionen von Baumstämmen auf gut entwässerten Böden offenbar weit verbreitet und bei vielen tropischen Bäumen in Afrika nachweisbar sind. Wie im Synthesekapitel erörtert, können selbst geringe Spurengasemissionen von Baumstämmen auf Ökosystemebene zu signifikanten Strömen weltweit führen. Diese Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit zusätzlicher Studien über die Baumstamm-Flüsse, um ihre Größenordnung und Mechanismen zu begrenzen und die globalen Treibhausgasbudgets weiter zu verfeinern.

Tropical rainforests play a crucial role in biogeochemical cycles and global climate dynamics. Yet, research efforts to quantify the main sources and sinks of trace greenhouse gases lags behind that of other biomes. The African continent is among the least researched regions worldwide, and the effects of land-use change on trace greenhouse gases are identified as an important research gap in the greenhouse gas budget of Africa. Recent studies in wetland and temperate forests have provided evidence for tree stem nitrous oxide (N2O) and methane (CH4) emissions, but the magnitudes of tree contributions to total (soil + stem) N2O and CH4 emissions from tropical rainforests on heavily weathered soils remain unknown. Given these knowledge gaps, this thesis consists of two studies aimed at quantifying the changes in stem and soil N2O and CH4 fluxes, and soil carbon dioxide (CO2) fluxes with forest conversion to cacao agroforestry. The study was conducted at three sites (villages) in central and southern Cameroon, all located on heavily weathered soils. To assess the impact of land-use change on stem and soil greenhouse gas fluxes, we studied two land-use systems at each site: the reference forest and the converted cacao agroforestry system. At each site, we selected four replicate plots (2500 m2 each) for each land use. Soil and stem greenhouse gas fluxes were measured monthly using vented static chambers (4 chambers per plot) and stem chambers (6 trees per plot), respectively, from April 2017 to April 2018. On each measurement period, we also measured known soil and climatic controlling factors. The aim of the first study was to quantify the changes in stem and soil N2O fluxes with forest conversion to cacao agroforestry. Additionally, we conducted a 15N tracing experiment at one of the sites as a follow-on study to elucidate the source of stem N2O emissions. Our findings revealed that trees on well-drained, heavily weathered soils served as an important N2O emission pathway, with the potential to overlook up to 38% of fluxes in the forests, and up to 15% of fluxes in cacao agroforests, if tree stems are not considered in the ecosystem N2O budget. 15N-isotope tracing from soil mineral N to stem-emitted 15N2O suggest that emitted N2O from stems originated predominantly from N2O produced in the soil. Additionally, forest conversion to cacao agroforestry systems had no effect on stem and soil N2O emissions, because of similarities in soil moisture and soil texture, absence of fertilizer application, and comparable presence of leguminous trees in both land uses, which can compensate for N export from harvest or other losses. For our second study, we investigated the changes in stem and soil CH4 fluxes and soil CO2 fluxes with forest conversion to cacao agroforestry. Conversion of forest to cacao agroforestry had no effect on stem and soil CH4 and CO2 fluxes. The lack of differences may be due to the comparable soil texture and soil moisture content between the two land uses, which influences gas diffusivity into and out of the soil. All the studied trees emitted measurable CH4 at some point during the study period. In both land uses, tree stems were net sources of CH4, while the soils were net CH4 sinks. Our upscaling suggests that tree stem emissions offset 3–18% of the annual soil CH4 sink in both land uses. This study provides the first year-round and spatially replicated quantifications of stem and soil trace gas fluxes for the Congo Basin, with key implications for improved estimates of trace gas budgets for Africa. Our results show for the first time that, N2O and CH4 emissions from tree stems on well-drained soils are apparently widespread and detectable in many tropical trees in Africa. As discussed in the synthesis chapter, even low stem trace gas emissions at the ecosystem level can upscale to significant fluxes globally. These findings emphasize the need for additional studies on tree stem fluxes in order to constrain their magnitudes and mechanisms, and to refine global greenhouse gas budgets.