Dissertation

Becker-Heidmann, P. (1989): Die Tiefenfunktionen der natürlichen Kohlenstoff-Isotopengehalte von vollständig dünnschichtweise beprobten Parabraunerden und ihre Relation zur Dynamik der organischen Substanz in diesen Böden. Hamburger Bodenkundliche Arbeiten 13. Verein zur Förderung d. Bodenkunde in Hamburg, Hamburg

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Zusammenfassung:

Ziel der vorliegenden Arbeit war, grundlegende Aussagen über den Zusammenhang zwischen den Tiefenverteilungen der natürlichen Gehalte der Kohlenstoffisotope 13C und 14C und der Dynamik der organischen Substanz in Parabraunerden zu gewinnen.

Zu diesem Zweck wurden sechs Parabraunerden untersucht: vier norddeutsche Waldböden, davon zwei aus Löß und zwei aus Geschiebelehm, ein westdeutscher Obstbauboden aus Löß und ein Ackerboden aus Granit-Gneis im semiariden Indien.

Die Proben wurden als 2 cm dünne, ca. 0,5 bis 1 m2 große rechteckige Schichten sukzessiv von der organischen Auflage bzw. der Bodenoberfläche ausgehend bis in den C-Horizont bzw. unteren Teil des Bt hinein abgetragen. Diese vollständige dünnschichtweise Beprobung ist hier erstmalig angewandt worden.

Von jeder Probe wurden der Kohlenstoffgehalt und die natürlichen Gehalte der Isotope 13C und 14C bestimmt. Der δ13C-Wert wurde massenspektrometrisch gemessen. Hierfür wurde eine Präparations-Vakuumlinie mit einer elektronisch geregelten Kühlapparatur aufgebaut. Zur Ermittlung des 14C-Gehalts wurde der Probenkohlenstoff in Benzol überführt und seine Aktivität im Flüssigkeits-Szintillations-Spektrometer gemessen.

Zusätzlich wurden von jeder Probe der pH-Wert und der Stickstoffgehalt bestimmt. Von Horizont-Mischproben wurden außerdem die Korngrößenverteilung, die Tonmineralzusammensetzung und die Gehalte der Hauptelemente Na, K, Ca, Mg, Mn, Fe, P, Si, Al und Ti ermittelt.

Durch die Kombination der Tiefenfunktionen der 14C-Aktivität und des δ13C-Werts ergab sich, unter Zuhilfenahme der Ergebnisse weiterer Analysen wie C/N-Verhältnis und Korngrößenzusammensetzung, eine schlüssige Interpretation bezüglich der Dynamik der organischen Substanz in den untersuchten Parabraunerden. Im einzelnen ist festzuhalten:

1. Eine hohe 14C-Aktivität im Oberboden und in der organischen Auflage impliziert einen geringen Abbau oder eine geringe Perkolationsrate, eine niedrige 14C-Aktivität dagegen einen intensiven Abbau oder eine schnelle Verlagerung im Vergleich zum Eintrag.

2. Die 14C-Aktivität nimmt mit der Tiefe wenig ab, wenn die Perkolationsrate hoch ist und umgekehrt.

3. Der Anstieg des δ13C-Werts mit der Tiefe ist umso größer, je höher sowohl die Abbau-Intensität als auch die Perkolationsrate ist.

4. Erklärbar mit einer Auftrennung von Huminsäuren und Fulvosäuren findet sich im Ae ein niedriger und im Bhs ein höherer δ13C-Wert. Beim Übergang vom Staunässeleiter zum Staukörper findet ebenfalls eine im δ13C-Wert sichtbare chromatographische Trennung statt.

5. Im Bt-Horizont sinkt die 14C-Aktivität mit der Tiefe bei steigendem Tongehalt und steigt unterhalb des Bt mit sinkendem Tongehalt wieder an. Dies muß als Fixierung der organischen Substanz an den Tonmineralen interpretiert werden. Die Sorption ist offenbar selektiv, da der δ13C-Wert mit wachsendem Tongehalt steigt.

6. In Dünnschichten an Horizontgrenzen findet sich selbst in größerer Tiefe im Unterboden rezente 14C-Aktivität, was auf eine hohe Perkolationsgeschwindigkeit schließen läßt.

7. Ein Anstieg der 14C-Aktivität im C-Horizont, insbesondere bei gleichzeitigem Sinken des δ13C-Werts auf den Ausgangswert der Bodenoberfläche, zeigt ebenfalls eine rasche Perkolation frischer organischer Substanzen durch den Bt hindurch an.

Für die Beziehung zwischen dem Alter des Bodens und dem 14C-Alter ergab sich darüberhinaus:

8. Zwischen dem höchsten im Profil gemessenen 14C-Alter und dem Tongehalt besteht eine lineare Beziehung. Das 14C-Profil-Höchstalter kommt dem Bodenalter umso näher, je höher der Tongehalt ist.

9. Anhand eines einfachen Modells konnte gezeigt werden, daß bei einem sich jährlich wiederholenden Austausch des vorhandenen durch rezenten Kohlenstoff das 14C-Alter der organischen Substanz nicht über einen von der Austauschrate abhängigen Grenzwert hinaus ansteigen kann.

10. In den tonangereicherten Dünnschichten der hier untersuchten deutschen Böden mit den 14C-Profil-Höchstaltern zwischen 2.000 und 5.000 Jahren BP kann demzufolge höchstens ein Anteil zwischen 0,01 % und 0,1 % des vorhandenen organischen Kohlenstoffs jährlich durch rezentes Material ersetzt worden sein.

Dank der dünnschichtweisen Probenentnahme konnten folgende Sachverhalte erkannt werden:

11. ein erst vor kurzer Zeit erfolgter Wechsel des Bewuchses von C3– zu C4-Pflanzen in dem indischen Boden,

12. eine beginnende Podsolierung bereits vor einer sichtbaren Ausprägung der für den Ae und den Bhs spezifischen Merkmale in einem der Waldböden,

13. räumlich eng begrenzte Kontaminationen durch Wurzelreste und Carbonat; letzteres auch in Spuren unterhalb der Nachweisgrenze von Feldtests, da die 14C-Aktivität und der δ13C-Wert in konsistenter Weise verändert wurden,

14. eine ungleichmäßige Verteilung unterschiedlich alter organischer Substanzen innnerhalb der Horizonte, mit einer Häufung der rezenten Komponenten an den Horizontgrenzen, was bei horizontweiser Beprobung zu einer wesentlichen Unterschätzung des 14C-Alters geführt hätte,

15. eine rasche und tiefeindringende Perkolation frischer organischer Substanzen bis in den C-Horizont.

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