Verteilung und Dynamik von stabilen Eisenisotopen in einem Boden mit ausgeprägten Redoxgradienten
Final Report Abstract
Die Verlagerung von Eisen als wichtiges Nährelement in Böden ist bisher unter naturnahen Bedingungen sowie unter Einbeziehung variabler Redoxpotentiale nur unzureichend erforscht worden. Wir nehmen an, dass Eisen in gelöster (als Fe2+ ) bzw. komplexierter Form (durch gelöstes organisches Material mit seinen funktionalen Gruppen) unter reduzierenden Bedingungen lateral mit dem Grundwasser transportiert und beim Aufstieg in die oberen Bodenhorizonte durch Kontakt mit Sauerstoff zu unlöslichem Fe3+ oxidiert und somit in Form von Eisenoxiden gefällt wird. Schwankende Grundwasserstände und damit einhergehende Variationen des Redoxpotentials verursachen somit zahlreiche Lösungs- und Fällungsprozesse in den verschiedenen Bodenhorizonten. Besonders geeignet für die Untersuchung der Auswirkungen von schwankenden Redoxbedingungen auf die Eisenmobilität in Böden sind Gleysole auf Grund ihrer schwankenden Grundwasserstände. Als exemplarisches Beispiel für eine detaillierte Untersuchung der Eisenverlagerung wurde ein aus früheren Studien bekannter sehr eisenreicher Gleysol aus dem südlichen Münsterland (NRW) ausgewählt. Der Boden entwickelte sich über glaziofluviatilen Sanden der Saale-Kaltzeit und wurde auf Grund der z.T. stark verfestigten und im Bg- und CrBg-Horizont dominant auftretenden Eisenoxiden als Haplic Gleysol (petrogleyic) klassifiziert. Aus jedem Bodenhorizont (Ah, Bg, CrBg) wurden Proben entnommen und auf ihre mineralogische Zusammensetzung mittels Infrarot- und Mößbauer-Spektroskopie, sowie Röntgendiffraktrometrie untersucht. Mittels nasschemischer Methoden wurden zudem pH-Wert, Konzentration von gelöstem organischen und anorganischem Kohlenstoff, sowie das Verhältnis von oxalat- und dithionitextrahierbarem Eisen bestimmt. Die extrem eisenreichen, aber an organischem Kohlenstoff armen Horizonte Bg und CrBg setzen sich überwiegend aus kristallinem Goethit zusammen, gering kristalliner Ferrihydrit spielt nur eine untergeordnete Rolle. Im organikreichen Ah-Horizont ist jedoch Ferrihydrit die vorherrschende Eisenoxidphase. Schwerpunkt des Projektes war die Untersuchung der Eisenisotopie der verschiedenen Bodenhorizonte sowie der Bodenlösungen, um ein besseres Verständnis der Eisendynamik zu erlangen. Dabei wurden für den Bg- und CrBg-Horizont niedrige Isotopenzusammensetzungen bestimmt (δ57Fe von -0.3 bzw. -0.2‰), für den Ah-Horizont jedoch ein höherer Wert (+0.3‰). Aus früheren Arbeiten ist inzwischen bekannt, dass die Lösungs- und Fällungsreaktionen eine signifikante Auswirkung auf die Eisenisotopie haben können, jedoch wurde dies bisher nur durch weitgehend einfache Experimente mit synthetischen Materialien sowie Bakterien im Labor untersucht. In verschiedenen Tiefen eingesetzte Redoxelektroden und Saugkerzen ermöglichten eine Beobachtung der Redoxpotentialschwankungen im ausgewählten Gleysol sowie eine Beprobung der Bodenlösung unter natürlichen Bedingungen. Um von der Geländesituation unabhängig die Schwankungen der Redoxbedingungen zu simulieren, wurden Suspensionen aus dem Ah- sowie dem CrBg-Horizont in zwei getrennten Versuchsreihen in geschlossenen Gefäßen (Mikrokosmen) durch die Einleitung von reinem Stickstoff bzw. Luft kontrollierten Redoxbedingungen ausgesetzt (oxidierend, Mangan-reduzierend, Eisen-reduzierend). Die regelmäßige Analyse der Fe2+/Fetotal-Verhältnisse und der Fe-Isotopie von aus der Suspension entnommener Lösung zeigte für den Ah-Horizont eine deutliche Mobilisierung des Eisens als Fe2+ bei reduzierenden Bedingungen, die auch mit einer signifikanten Isotopenfraktionierung hin zu sehr niedrigen δ57Fe-Werten von etwa -1.4‰ einherging. Überraschend war hier zum Einen eine geringe Eisenmobilisierung schon bereits bei Mangan-reduzierenden Redoxpotentialen, die eine deutliche Isotopenfraktionierung zur Folge hatte (δ57Fe bei etwa -0.2 bis -0.4‰), zum Anderen stabilisierten sich die Eisenkonzentration und Isotopenwerte innerhalb weniger Stunden bis Tage auf einem relativ konstanten Niveau, solange das Redoxpotential nicht erneut verändert wurde. Unerwartet war außerdem ein relativ kontinuierlicher Anstieg der δ57Fe-Werte bei oxidierenden Bedingungen, der auf eine allmähliche Umwandlung von Ferrihydrit zu Goethit hindeutet. Für den Versuch mit Material aus dem CrBg-Horizont wurde trotz der sehr hohen Eisengehalte des Ausgangsmaterials und unabhängig von den Redoxbedingungen nur ein sehr geringer Eisenaustausch mit der Lösung und eine geringe Variation der Isotopie beobachtet. Diese Beobachtungen für das Verhalten des Ah- und CrBg-Horizonts wurden generell durch Mikrokosmenversuche mit synthetischen Eisenoxiden (in den selben Verhältnissen wie im natürlichen Boden) bestätigt, jedoch stellten sich hier keine konstanten Konzentrationsund Isotopenniveaus ein. Die Experimente zeigten, dass der Ah-Horizont bei hohen Grundwasserständen (z.B. bei einer Überflutung) und dadurch reduzierenden Bedingungen als Eisenlieferant in Frage kommt. Die relativ hohen δ57Fe-Werte können durch mikrobielle Aktivität und bevorzugte Bindung der schweren Eisenisotope in Oxiden erklärt werden. Der CrBg-Horizont gibt dagegen auch bei reduzierenden Bedingungen kein Eisen in die Lösung ab. Analysen der im Gelände gewonnenen Lösungen zeigen zudem, dass die eisenreichen Horizonte Senken für gelöstes Eisen darstellen und dessen Isotopie zu sehr niedrigen δ57Fe-Werten verschieben.
Publications
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(2009). Iron isotope fractionation in soil suspensions at controlled redox conditions. Geochim Cosmochim Acta 73, A1186
Schuth, S., Mansfeldt, T., Overesch, M., Greef, K., Hindersmann, I. & Münker, C.
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(2011). Iron isotope fractionations in soil solutions of a Gleysol. Min Magazine 75, A1828
Schuth, S. & Mansfeldt, T.
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(2012). Iron oxide mineralogy and stable iron isotope composition in a Gleysol with petrogleyic properties. J Soils Sediments 12, 97–114
Mansfeldt, T., Schuth, S., W Agner, F.E., Häusler, W., Kaufhold, S. & Overesch, M.
