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Effects of historical charcoal burning on soil landscapes in West Connecticut, USA

Auswirkungen der historischen Köhlerei auf Bodenlandschaften in West Connecticut, USA

  • The central theme of this thesis revolves around the impacts of historic charcoal burning on todays soils and soil landscapes in Connecticut, USA. The first chapter gives an overview of the state-of-research regarding the spatial distribution, morphology and chemical- as well as physical soil composition of so called relict charcoal hearth (RCH) landforms. RCHs can be described as unique soil microhabitats in the context of flora and fauna growth. The central research aim of the thesis is led by the question: How and to what extend does the historical charcoal industry control the distribution, development and properties of present day soils in Connecticut, USA? This thesis presents results from two field-campaigns in 2017 and 2018 where 52 RCH sites were surveyed and sampled in Litchfield County, Connecticut. The resulting dataset comprises of more than 1245 soil samples from 154 soil profiles and detailed stratigraphic and morphometrical information for all RCH sites. RCH landforms result in three distinct soils: charcoal richThe central theme of this thesis revolves around the impacts of historic charcoal burning on todays soils and soil landscapes in Connecticut, USA. The first chapter gives an overview of the state-of-research regarding the spatial distribution, morphology and chemical- as well as physical soil composition of so called relict charcoal hearth (RCH) landforms. RCHs can be described as unique soil microhabitats in the context of flora and fauna growth. The central research aim of the thesis is led by the question: How and to what extend does the historical charcoal industry control the distribution, development and properties of present day soils in Connecticut, USA? This thesis presents results from two field-campaigns in 2017 and 2018 where 52 RCH sites were surveyed and sampled in Litchfield County, Connecticut. The resulting dataset comprises of more than 1245 soil samples from 154 soil profiles and detailed stratigraphic and morphometrical information for all RCH sites. RCH landforms result in three distinct soils: charcoal rich horizons (Auh horizons), mineral soil horizons dividing multiple Auh horizons horizontally (Cu horizons) and buried former topsoil’s (Ahb horizons) or buried mineral soil horizons (Bwb horizons). Sites on flat terrain (< 4° slope) have mostly one Auh horizon, while sites on steeper terrain (> 4° slope) have mostly two, sometimes up to three Auh horizons. The total volume of sites on slopes is positively correlated to the local slope, i.e. it increases with larger steepness of the terrain. Compared to reference soils, RCH soils are enriched in total soil organic carbon and especially in pyrogenic carbon. Vertical gradients of organic carbon concentrations in Auh and Cu horizons suggest an enrichment of non-pyrogenic organic matter in the topsoil and a vertical translocation of highly aromatic carbon compounds into intermediate and buried soil horizons. Furthermore, Auh horizons have a lower bulk density, a higher crystallinity ratio (Fed/Fet) of pedogenic iron oxides and are enriched in exchangeable elements (Ca2+, Mg2+, Mn2+) as well as oxalate extractable manganese-oxides compared to reference soils. A deep-learning based automated mapping workflow called ARCHMAGE (Automated Relict Charcoal Hearth Mapping and Geospatial Exploration) was created to gain a continuous, state wide database of RCH sites locations and other relevant geospatial information. This database, in combination with calculation of site specifics RCH volumes and soil carbon stocks, showed that in regions with high RCH site densities, significant additions to local soil organic and especially pyrogenic carbon stocks are present. This effect is scale dependent, with a larger effect size on county scale and below (≤ 1:650,000).show moreshow less
  • Das zentrale Thema dieser Dissertation ist es die Auswirkungen der historischen Holzkohleindustrie auf heutige Bodenlandschaften in Connecticut, USA zu analysieren. Das erste Kapitel gibt einen Überblick über den Stand der Forschung zur räumlichen Verteilung, Morphologie und chemischen sowie physischen Bodeneigenschaften von historischen Holzkohlemeilern (HKM). HKMs sind einzigartige Boden-Mikrohabitate im Kontext von Flora und Fauna beschrieben werden. Das zentrale Forschungsziel wird durch die Frage gesteuert: Wie und in welchem Ausmaß beeinflusst die historische Holzkohleindustrie die Verteilung, Entwicklung und Eigenschaften der heutigen Böden in Connecticut, USA? Hier werden Ergebnisse aus zwei Feldkampagnen im Jahr 2017 und 2018 präsentiert, bei denen 52 HKM Standorte in Litchfield County, Connecticut, morphologisch analysiert und beprobt wurden. Die resultierende Datenbank umfasst mehr als 1245 Bodenproben von 154 Bodenprofilen und detaillierte stratigraphische und morphometrische Informationen für alle HKM-Standorte. HKMDas zentrale Thema dieser Dissertation ist es die Auswirkungen der historischen Holzkohleindustrie auf heutige Bodenlandschaften in Connecticut, USA zu analysieren. Das erste Kapitel gibt einen Überblick über den Stand der Forschung zur räumlichen Verteilung, Morphologie und chemischen sowie physischen Bodeneigenschaften von historischen Holzkohlemeilern (HKM). HKMs sind einzigartige Boden-Mikrohabitate im Kontext von Flora und Fauna beschrieben werden. Das zentrale Forschungsziel wird durch die Frage gesteuert: Wie und in welchem Ausmaß beeinflusst die historische Holzkohleindustrie die Verteilung, Entwicklung und Eigenschaften der heutigen Böden in Connecticut, USA? Hier werden Ergebnisse aus zwei Feldkampagnen im Jahr 2017 und 2018 präsentiert, bei denen 52 HKM Standorte in Litchfield County, Connecticut, morphologisch analysiert und beprobt wurden. Die resultierende Datenbank umfasst mehr als 1245 Bodenproben von 154 Bodenprofilen und detaillierte stratigraphische und morphometrische Informationen für alle HKM-Standorte. HKM führen zu drei unterschiedlichen Böden bzw. Bodenhorizonten: Technosole mit kohlereichen A Horizonten (Auh Horizonte), mineralische Horizonte, die mehrere Auh-Horizonte teilen (Cu Horizonte) sowie begrabene reliktische Oberböden (Ahb Horizonte) oder begrabene mineralische Horizonte (Bwb Horizonte). Standorte auf flachem Gelände (< 4° Hangneigung) haben in der Regel einen Auh-Horizont, während Standorte auf steilerem Gelände (> 4° Hangneigung) in der Regel zwei, seltener auch drei Auh-Horizonte aufweisen. Das Gesamtvolumen der Standorte auf Hängen ist positiv mit der lokalen Hangneigung korreliert, d.h. es nimmt mit stärkerer Hangneigung zu. HKM-Böden sind mit organischem Kohlenstoff angereichert, insbesondere mit pyrogenem Kohlenstoff. Vertikale Gradienten der organischen Kohlenstoffverteilungen in Auh und Cu Horizonten deuten auf eine Anreicherung von nicht-pyrogenem organischen Material in Oberböden und eine vertikale Translokation von aromatischen Kohlenstoffverbindungen in Cu und begrabene Bodenhorizonte hin. Verglichen mit Referenzböden haben Auh Horizonte eine niedrigere Rohdichte, ein höheres Kristallinitätsverhältnis (Fed/Fet) von pedogenen Eisenoxiden und sind an austauschbaren Kationen (Ca2+, Mg2+, Mn2+) sowie an oxalatlöslichen Manganoxiden angereichert. Ein auf Deep Learning basierter, automatisierter Kartierungsansatz namens ARCHMAGE (Automated Relict Charcoal Hearth Mapping and Geospatial Exploration) wurde entwicklelt, um eine kontinuierliche, landesweite Datenbank von HKM-Standorten in Kombination mit anderen relevanten geografischen Informationen zu erhalten. Diese Datenbank in Kombination mit der Berechnung von Standort-spezifischen HKM-Volumina und Kohlenstoffbeständen zeigt, dass in Regionen mit hoher HKM-Standortdichte signifikante Anreicherungen zu organischen und pyrogenen Kohlenstoffvorräten vorhanden sind. Dieser skalenabhängige Effekt ist größer auf der Landkreisskala und darunter (≤ 1:650.000).show moreshow less

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Metadaten
Author: Alexander Bonhage
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-65652
DOI:https://doi.org/10.26127/BTUOpen-6565
ISBN:2196-4122
Series (Serial Number):Geopedology and Landscape Development Research Series (13)
Referee / Advisor:Prof. Dr. Thomas Raab, Prof. Dr. Jörg Völkel
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2023
Date of final exam:2023/07/17
Release Date:2023/12/13
Tag:Bodenkunde; Geoarchäologie; Geomorphologie
Geoarchaeology; Geomorphology; Soil science
GND Keyword:Connecticut; Bodenkunde; Köhlerei; Meiler; Geoarchäologie
Institutes:Fakultät 2 Umwelt und Naturwissenschaften / FG Geopedologie und Landschaftsentwicklung
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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