Quantifizierung der Rate der CaCO3-Rekristallisation im Boden und Bildung pedogener Karbonate unter verschiedenen Bedingungen: Experimente, Modell und Überprüfung
Final Report Abstract
Der für die Bildung oder Rekristallisation pedogener Karbonate notwenige Zeitraum spielt eine wichtige Rolle für die Präzision von Paläoumweltrekonstruktionen, die auf der Isotopenzusammensetzung pedogener Karbonate basieren. Diese Zeiträume und der Einfluss verschiedener Umweltfaktoren wurden in Laborexperimenten mit Loss, einem typischen Ausgangsmaterial der Bodenbildung, durch 14C-Isotope n austausch zwischen Rhizosphären-CO2 und dem Lösskarbonat ermittelt. Im Bereich der natürlich in Böden auftretenden CO2-Konzentrationen stieg die Rekristallisationsrate mit zunehmender CO2-Konzentration an (im Bereich 10-7 Tag-1, d.h. pro Tag wurden 10^-5 % des gesamten Lösskarbonats rekristallisiert), was zu der Vermutung führte, dass Rekristallisationsraten in von Pflanzen besiedeltem Boden durch permanent hohe CO2-Konzentration höher sind als jene in unbepflanztem Boden, und dass die Rekristallisation in der Rhizosphäre am schnellsten stattfindet. Diese Vermutung wurde durch mehrere Experimente bestätigt: Die Rekristallisatlonsraten lagen in bepflanztem Löss im Bereich 10^-5 Tag-1, und waren in der Rhizosphäre mindestens doppelt so hoch wie im wurzelfernen Löss. Signifikant höhere CaCO3-Rekristallisationsraten in der Rhizosphäre als in wurzelfernem Löss wurden auf drei Faktoren zurückgeführt: hohe CO2-Konzentration durch Wurzel- und mikrobielle Atmung, niedriger pH-Wert aufgrund der Abgabe von CO2 und Wurzelexudaten und hohe Ca2+- und HCO3-Konzentration, hervorgerufen durch Wasseraufnahme der Wurzeln. Die Bedeutung des letzten Faktors, d.h. des Transpirationssogs der Pflanzen, wurde durch einen Anstieg der Rekristallisationsraten mit zunehmender Temperatur bestätigt. Die zur vollständigen Rekristallisation des Lösskarbonats notwendigen Zeiträume wurden unter der Annahme berechnet, dass wiederholte Rekristallisation von primärem und sekundärem Karbonat stattfindet, und lagen im wurzelfernen Löss, abhängig von der Dauer der angenommenen Vegetationszeit, im Bereich von einigen hundert bis wenigen tausend Jahren. Zunehmende Temperatur erhöhte zwar die CaCO3-Rekristallisationsraten, aber der Kontrast zwischen geringen und hohen Temperaturen wurde für die Rekristallisationsperioden durch den negativen Effekt steigender Temperaturen auf die Länge der Vegetationszeit abgeschwächt. Im Gegensatz dazu können pedogene Karbonate in Wurzelnähe viel schneller gebildet werden (Jahrzehnte bis wenige Jahrhunderte), wenn zur Wurzel gerichteter Massenfluss zur Bildung von Konkretionen (Rhizolithen) führt. Um diese Ergebnisse besser mit natürlichen Bedingungen vergleichen zu können, wurde in einem weiteren Experiment die vertikale Karbonatverlagerung durch perkolierendes Wasser berücksichtigt. Modellrechnungen zeigten, dass einige hundert bis wenige tausend Jahre für die Entkalkung des oberen Bodens ausreichen, aber Jahrtausende bis eventuell Zehntausende Jahre für die Bildung eines Karbonatakkumulationshorizontes notwendig sind. Die ermittelten Rekristallisationszeiträume pedogener Karbonate sind Minimumwerte, da die Raten durch das Experimentdesign vermutlich leicht überschätzt wurden, und beziehen sich ausschließlich auf Böden, die in kalkreichem sedimentärem Ausgangsmaterial entstanden sind. Trotzdem stimmen die Ergebnisse in ihrer Größenordnung gut mit Literaturdaten überein und zeigen, dass ein breites Spektrum an Bildungs- und Rekristallisationszeiträumen berücksichtigt werden muss, wenn pedogene Karbonate genutzt werden, um Paläoumweltbedingungen zu rekonstruieren oder Böden zu datieren. Rhizolithe, die durch Umkrustung von Wurzeln mit sekundärem CaCO3 entstehen, weisen ein hohes Potential für Paläoumweltrekonstruktionen auf, da sie vermutlich innerhalb weniger Jahre oder Jahrzehnte gebildet werden (s.o.). In der spätpleistozänen Löss-Paläoboden-Sequenz von Nussloch (SW-Deutschland) war das CaCO3 der Rhizolithe vollständig sekundär und nicht durch spatere Rekristallisation kontaminiert. Die Radiokohlenstoffdatierung eines Rhizoliths zeigte die Möglichkeit der postsedimentären Bildung der Rhizolithe. Dies bedeutet, dass einerseits die Rhizolithe von einer anderen Vegetation als die Lössorganik stammen können, und andererseits die Abgabe größerer Mengen an Wurzelexudaten zu einer Überprägung der ursprünglichen Lössorganik geführt haben kann. Basierend auf molekularen Lipidproxies konnte gezeigt werden, dass die Lössorganik von ober- und unterirdischer Grasbiomasse stammt, während die Rhizolithe wahrscheinlich von Strauch- oder Baumwurzeln gebildet wurden. Darüber hinaus war die Organik im den Rhizolithen benachbarten Löss bis in eine Distanz von mindestens 5 cm deutlich durch rhizomikrobielle und Wurzelüberreste kontaminiert. Eine mögliche Überprägung der Lössorganik und ihrer isotopischen Zusammensetzung durch postsedimentär eindringende tiefwurzelnde Pflanzen könnte die Ergebnisse von auf Lössorganik basierenden Paläoumweltstudien verfälschen und ist vermutlich auch für andere Sediment-Paläobodenprofile relevant.
Publications
- 2010. Carbonate recrystallization in root-free soil and rhizosphere of Triticum aestivum and Lolium perenne estimated by 14C labeling. Biogeochemistry
Gocke, M., Pustovoytov, K., Kuzyakov, Y.
(See online at https://doi.org/10.1007/s10533-010-9456-z) - 2010. Effect of CO2 concentration on the initial recrystallization rate of pedogenic carbonate - revealed by 14C and 13C labeling. Geoderma 155: 351-358
Gocke, M., Pustovoytov, K., Kuzyakov, Y.
- 2010. Rhizoliths in loess - evidence for post-sedimentary incorporation of root-derived organic matter in terrestrial sediments as assessed from molecular proxies. Organic Geochemistry 41: 1198-1206
Gocke, M., Kuzyakov, Y., Wiesenberg, G.L.B.
