Formation and dynamics of organo-mineral associations in redoximorphic soils
Final Report Abstract
Chemische Wechselwirkungen zwischen Mineralen und organischer Substanz in Böden führen zur Bildung von organo-mineralischen Assoziationen, in denen die organische Substanz vor schnellem Abbau geschützt ist. Die Assoziationen bilden sich beispielsweise in redoximorphen Böden, die durch einen periodischen Wechsel (Redoxzyklen) von Wassersättigung und Anwesenheit von Sauerstoff geprägt sind. Im Projekt gingen wir von den Hypothesen aus, dass sich in Assoziationen befindliche Eisenoxide während der Redoxzyklen zu besser kristallinen entwickeln, dass dadurch eine stärkere Bindung der organischen Substanz erfolgt, dass es zu einer qualitativen Differenzierung der gebundenen organischen Substanz kommt, und dass sich während der Redoxzyklen Eisen- und Manganoxide räumlich differenzieren. Wir untersuchten dazu organo-mineralische Assoziationen, die sich in einem Modellsystem mit drei redoximorphen Böden unterschiedlicher Zusammensetzung unter Zugabe von isotopisch markierten Modellsubstanzen (13C-Vanillin und 15N-Alanin), und die sich in diesen Böden unter natürlichen Verhältnissen in situ gebildet haben. Die Böden unterschieden sich hinsichtlich ihrer Bodenart, pH-Werten, Gehalten an pedogenem Fe und Mn, sowie ihrer Tonminerale. Da es sich bei den Assoziationen um Partikel bzw. Aggregate mit einer Größe im Bereich von Mikrometern handelt, haben wir Analysemethoden angewendet, die auf dieser räumlichen Skala differenzieren können: Rasterelektronenmikroskopie (REM), nanoskalige Sekundärionen-Massenspektrometrie (NanoSIMS) sowie synchrotron-basierte Röntgenfluoreszenzspektrometrie (XRF), Röntgendiffraktometrie (XRD) und -absorptionsspektroskopie (XANES). Die Analysen der aus dem Modellsystem gewonnenen Proben, erlaubten es uns Rückschlüsse auf die Kristallinität der Fe-Oxide und deren Verteilung zu ziehen. REM-Aufnahmen deuteten einen höheren Kristallinitätsgrad sowie einen höheren Bedeckungsgrad von Fe-Oxiden für Proben nach vier Redoxzyklen im Vergleich zum ersten Redoxzyklus an. Dies weist auf eine fortschreitende Umkristallisation von Fe-Oxiden hin. Die ausstehenden nanoskaligen Analysen (XRF, XANES und XRD) werden uns weitere Hinweise auf die Bildung und Dynamik von Fe-Spezies, aber auch weiteren relevanten Elementen in Verbindung mit organischer Substanz und deren räumliche Differenzierung liefern. Nachfolgende NanoSIMS-Analysen ermöglichen es uns, zusätzlich etwas über die qualitative Veränderung der mineralisch gebunden organischen Substanz auszusagen, sowie deren räumliche Verteilung bestimmter funktioneller Gruppen innerhalb der sich gebildeten Assoziationen. NanoSIMS-Analysen der in situ gewonnenen organo-mineralischen Mikroaggregate zeigten deutliche Unterschiede zwischen den Böden und je nach Anzahl der Redoxzyklen in Bezug auf deren Ionenzusammensetzung und ihrer räumlichen Verteilung und Ausbreitung. Dort, wo sich bevorzugt besser kristalline Oxide bildeten, war bevorzugt organische Substanz lokalisiert. Durchgängig waren organo-mineralische Assoziationen auch von silikatischen Mineralen geprägt. Eine statistisch abgesicherte Auswertung der erzeugten Datenmenge ist unumgänglich. Die eigens hierfür entwickelte Bildauswertungsmethode mit einer Metaprozessierung aller Analysen liefert die Grundlage für die abschließende Auswertung und wird nach Abschluss öffentlich zur Verfügung gestellt werden. Unsere Ergebnisse zeigen Unterschiede in den Wechselwirkungen zwischen Mineralen und organischer Substanz in rexoximorphen Böden. Diese beeinflussen die quantitative und qualitative Ausprägung der Stabilisierung organischer Substanz in Böden und damit die Speicherung und den Verbleib von Kohlenstoff im Boden.
