Phytolithlöslichkeit in Reisböden
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Phytolithe dienen aufgrund ihrer hohen Löslichkeit als wichtige Quelle für pflanzenverfügbares Si. Manche Phytolithe können jedoch Hunderte von Jahren im Boden verbleiben, belegt durch die Tatsache, dass Archäologen Phytolithe zur Rekonstruktion früherer Vegetation nutzen. Frühere Arbeiten deuten darauf hin, dass die Löslichkeit von Phytolithen mit der Zeit im Boden abnimmt, jedoch sind die Löslichkeit bestimmenden Faktoren aber wenig untersucht. Wir stellten die Hypothesen auf, dass (i) Redox-Oszillationen Akkumulation von Fe- und Al-Oxiden sowie organischem Material an Phytolithoberflächen fördern und (ii) dass diese Veränderungen die Phytolithlöslichkeit im Laufe der Zeit verringern. Dazu führten wir Labor- und Feldstudien durch, um die Veränderungen der Phytolitheigenschaften während der Exposition mit Bodenlösungen sowie natürlichen Bodenumgebungen mit unterschiedlichen Redoxbedingungen zu analysieren. In einem Laborversuch setzten wir Phytolithe wiederholt Bodenlösungen mit oszillierenden Redoxpotentialen gegenüber kontinuierlich oxischen Bodenlösungen aus. Die exponierten Phytolithe wurden auf Morphologie, Oberflächenladung, chemische Zusammensetzung und Löslichkeit untersucht. Eisenoxide und Organik reicherten sich schnell an den Oberflächen jener Phytolithe an, die oszillierenden Redoxbedingungen ausgesetzt waren. Andere Phytolithmerkmale, einschließlich des Al-Gehalts, der Morphologie und der Oberflächenladung, veränderten sich nur geringfügig. Die Löslichkeit nahm mit der Anzahl der Expositionsschritte sowohl bei kontinuierlich oxischen als auch bei oszillierenden Redoxpotentialen ab, die Abnahme war nach Redox-Oszillationen ausgeprägter (Faktor 3,2) als bei ausschließlich oxischen Expositionen (Faktor 2,1). Die Si-Freisetzungsrate war bei Phytolithen, welche Redoxoszillationen ausgesetzt waren, negativ mit dem Phytolith-Fe-Gehalt korreliert. In einem anschließenden Feldversuch an Standorten in Vietnam und auf den Philippinen wurden Phytolithe bis zu 550 Tage im Oberboden von Reisfeldern und nahegelegenen Kontrollfeldern vergraben. Sie wurden an verschiedenen Zeitpunkten aus dem Boden entnommen und auf Massenbilanz, Morphologie, Oberflächenladung und chemische Zusammensetzung sowie Löslichkeit untersucht. Phytolithe lösten sich in Paddy-Böden mehr als dreimal schneller als in Kontrollböden. Trotz der signifikanten Auflösung von bis zu 29 % des Materials waren Änderungen der Phytolitheigenschaften erstaunlich gering. Spezifische Oberfläche, Median-Partikelgröße und Zetapotenzial waren sowohl in Paddy- als auch in Kontrollböden frischen Phytolithen ähnlich. Phytolithe akkumulierten rasch (innerhalb 50 Tagen) geringe Mengen an Fe (zwischen 1,0–3,5 g kg^–1) und Al (zwischen 1,0–4,5 g kg^–1), aber während der verbleibenden Expositionszeit im Boden blieb eine weitere signifikante Akkumulation von Fe und Al aus. Erstaunlicherweise war die Fe-Akkumulation unabhängig von der Art der Bewirtschaftung, d. h. von Paddy- und Kontrollböden. Wir schließen daraus, dass Eisenbeläge an Phytolithen unter reduktiven Bedingungen instabil sind. Im Labor gemessene Löslichkeitsraten nahmen über die Zeit im Feld ab, auch dies unabhängig von der Bewirtschaftungsart. Labor-Löslichkeitsraten waren um eine Größenordnung höher als aus der Massenbilanz im Feld abgeleitete Werte, was die Bedeutung von Feldexperimenten für ein besseres Verständnis des Si-Zyklus in Reisfeldern hervorhebt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Effect of different extraction methods on the morphological and chemical properties of phytoliths. EGU General Assembly, Vienna, April 2019.
Nicolai Koebernick; Thimo Klotzbücher; Maximilian Wolff; Klaus Kaiser; Anika Klotzbücher & Robert Mikutta
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Redox-dependent surface passivation reduces phytolith solubility. Geoderma, 428, 116158.
Koebernick, Nicolai; Mikutta, Robert; Kaiser, Klaus; Klotzbücher, Anika & Klotzbücher, Thimo
