Bodenentwicklung aus Ca-reichen technogenen Substraten: Mineralneubildung und -umbildung im Wechselspiel mit der Akkumulation organischer Substanz auf alkalischen Rückstandshalten der Sodaindustrie
Final Report Abstract
Ziel der Untersuchungen war die Aufklärung bodenbildender Prozesse (Neubildung und Veränderung des Mineralbestandes, Akkumulation und Assoziierung organischer Substanz mit der Mineralphase) auf einem karbonatischen Sondersubstrat. Natürliche Karbonatsubstrate enthalten immer silikatisch-oxidische Komponenten, welche mit der Zeit die Bodeneigenschaften prägen. Deren Rolle übernehmen auf den Rückstandshalden der Sodaindustrie Minerale wie Ettringit, Hydrocalumit und Hydrotalcit, die in natürlichen Böden kaum vorkommen. Es sollte u.a. geprüft werden, welche der Minerale die Kohlenstoffspeicherung der Böden bestimmen. Ebenso sollte geklärt werden, ob die zunehmende Bindung organischer Substanz in den Böden vom sich verändernden Mineralbestand bzw. die Veränderung der Mineralphase durch Bindung organischer Substanz verursacht werden. Die Untersuchungen von Böden und Dichtefraktionen sowie an mit organischer Substanz belegten Mineralphasen haben folgende Ergebnisse erbracht: • Bildung und Veränderung des Mineralbestandes sind vom pH-Wert des Bodens abhängig. Dieser wiederum wird durch das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht beeinflusst. Karbonatisierung (CaCO3-Bildung) ist am Anfang der Bodenbildung der vorherrschende mineralbildende Prozess. Ein großer Anteil des gebundenen CO2, auch auf den jüngsten Flächen, stammt aus mikrobieller oder pflanzlicher Atmung. Mit fortschreitender Gefügebildung und damit ansteigendem Grobporenvolumen steigt der Anteil atmosphärischen CO2 in den Unterböden an. • Hydrotalcit und Hydrocalumit liegen als Mischmineralphase vor, wobei Hydrotalcit überwiegt. Wir vermuten, dass die Mischmineralphasen auch im neutralen bis schwach sauren pH-Bereich stabil sind. Mit fortschreitender Bodenbildung kommt es in den Zwischenschichten der Mischmineralphasen zu zunehmender Belegung mit CO32–, was die erhöhte Mineralstabilität bewirken könnte. Ettringit als auch Thaumasit sind dagegen nicht dauerhaft stabil. • In den untersuchten Böden bestimmen Hydrotalcit–Hydrocalumit-Mischminerale die Akkumulation organischen Kohlenstoffs. Diese Mineralphasen weisen eine permanente positive Ladung auf und sind so zur Bindung großer Mengen organischer Substanz, insbesondere phenolischer Verbindungen, befähigt. Neben den Hydrotalcit-Hydrocalumit-Mischmineralen ist in geringerem Umfang auch Calcit an der Bindung organischer Substanz beteiligt; die Bindung ist nicht selektiv für Phenole. • Die Sorptionseigenschaften synthetischen Hydrotalcits lassen vermuten, dass fortschreitender Ersatz der Zwischenschicht-Anionen durch CO32– die Bindungseigenschaften der Hydrotalcit– Hydrocalumit-Mischphasen für organische Substanz nicht beeinflussen. Die Sorption organischer Substanz an Hydrotalcit ist weitgehend irreversibel, was eine erhebliche Stabilisierung der organischen Substanz bedingen dürfte. Dies geht einher mit der in den untersuchten Böden gefundenen Konservierung typischer Substanzen vorangegangener Vegetationen. Umgekehrt scheint die Belegung mit organischer Substanz die Stabilität von Hydrotalcit im leicht saueren pH-Bereich zu erhöhen. • Pflanzliche und mikrobielle Zucker stellen einen Großteil der gelösten organischen Substanz dar und werden kaum von der Bodenmatrix zurückgehalten. Dadurch gelangt ein Teil des gelösten organischen Kohlenstoffs in tiefere Bodenschichten. Mit zunehmendem Alter der Böden steigt die Akkumulation von organischer Substanz im Unterboden an.
Publications
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