Bodenentwicklung aus Ca-reichen technogenen Substraten: Mineralneubildung und -umbildung im Wechselspiel mit der Akkumulation organischer Substanz auf alkalischen Rückstandshalten der Sodaindustrie

• Applicant: Professor Dr. Reinhold Jahn
• Subject Area: Soil Sciences
• Term: from 2004 to 2010
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5440090

• Final Report Year: 2010

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

• 2005. Anionische Tone (layered double hydroxides) in alkalischen Rückstandshalden der Sodaindustrie bewirken rasche Akkumulation organischer Substanz. Mitteilungen der Deutschen Bodenkundlichen Gesellschaft 107, 133–134
  Grünewald G., Kaiser K., Jahn R.
  
• 2005. Positively-charged clays promote rapid accumulation of organic matter in young calcareous soils. Poster auf der Konferenz "Mechanisms of Organic Matter Stabilization and Destabilization in Soils", 9.–13.10.2005, Monterey, USA
  Grünewald G., Kaiser K., Jahn R.
  
• 2005. Rapid accumulation of organic matter in young soils derived from calcareous wastes of soda production due to strong organic–mineral interactions. Poster auf der Konferenz "Global Soil Change. Rates and characteristic times for modern and ancient induced pedogenetic processes", 10.–18.3.2005, Mexico City, Mexico
  Grünewald G., Kaiser K., Jahn R.
  
• 2005. Soil development and alteration of secondary minerals along a time series in alkaline soils derived from carbonatic wastes of soda production. Vortrag auf der Konferenz "Global Soil Change. Rates and characteristic times for modern and ancient induced pedogenetic processes", 10.–18.3.2005, Mexico City, Mexico
  Grünewald G., Kaiser K., Jahn R.
  
• 2005. Strong organic-mineral interactions promote rapid accumulation of organic matter in young soils derived from calcareous soils of soda production. Geophysical Research Abstracts 7, Ref. 02235
  Grünewald G., Kaiser K., Jahn R.
  
• 2006. Alteration of secondary minerals along a time series in alkaline soils derived from carbonatic wastes of soda production. 18th World Congress of Soil Science, 9.–15.7.2006, Philadelphia, PA, USA
  Jahn R., Grünewald G., Kaiser K., Pöllmann H.
  
• 2006. Organic matter stabilization in young calcareous soils as revealed by density fractionation and analysis of lignin-derived constituents. Organic Geochemistry 37, 1573–1589
  Grünewald G., Kaiser K., Jahn R., Guggenberger G.
  
• 2007. Alteration of secondary minerals along a time series in young alkaline soils derived from carbonatic wastes of soda production. Catena 71, 487–496
  Grünewald G., Kaiser K., Jahn R.
  
• 2007. Hydrotalkit als Bindungspartner organischer Bodensubstanz in alkalischen Böden. Mitteilungen der Deutschen Bodenkundlichen Gesellschaft 110, 739
  Grünewald G., Kaiser K., Jahn R.
  
• 2007. Mineralbestand in technogenen Substraten- neue Herausforderungen für die Bodenmineralogie. Mitteilungen der Deutschen Bodenkundlichen Gesellschaft 110, 645–646
  Jahn R., Grünewald G., Kastler M., Zikeli S., Kaiser K.
  
• 2007. Stabilization of organic matter in calcareous soils by interactions with layered double hydroxides? 3rd Conference on Mechanisms of Soil Organic Matter Stabilization, 23.–26.09.2007, Adelaide, Australien
  Grünewald G., Kaiser K., Jahn R.
  
• 2008. Hydrotalcite – A potentially significant sorbent of organic matter in calcareous alkaline soils. Geoderma 147: 141–,50
  Grünewald G., Kaiser K., Jahn R.
  
• 2009. Mineralbildung und -umbildung in jungen Böden aus alkalischen technogenen Substraten. Tagung der Deutschen Bodenkundlichen Gesellschaft, 5.–13. September 2009, Bonn
  Grünewald G., Kaiser K., Jahn R.
  
• 2009. Minerals and organics in soil formation in alkaline substrate (p. 517). In: Fiore S., Belviso C., Giannossi M.L. (Eds) Micro et Nano: Sciantiæ Mare Magnum, Vol. 1. Digilabs s.a.s. Publishers, Bari, Italy
  Kaiser K., Grünewald G., Jahn R.