Soil nanocolloids and associated phosphorus in natural and managed ecosystems

• Bodennanokolloide und assoziierter Phosphor in natürlichen und bewirtschafteten Ökosystemen

Zhang, Qian; Klumpp, Erwin (Thesis advisor); Schäffer, Andreas (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

Natürliche kolloidale Partikel (Durchmesser < 1.000 nm) sind die kleinste partikuläre Phase in Böden. Sie sind reich an organischem Bodenkohlenstoff (SOC), Eisen-/Aluminium-(Hydr)oxiden und Tonmineralen und spielen eine wichtige Rolle bei der Bestimmung z.B. der Ionenaustauschkapazität und bei der Regulierung wichtiger biogeochemischer Prozesse. Natürliche Kolloide, einschließlich Nanopartikel oder Nanokolloide (1-100 nm), haben eine große spezifische Oberfläche und sind reich an Oberflächenladungen, so dass sie Nährstoffe immobilisieren können und ein Hauptfaktor für die Verfügbarkeit von Phosphor (P) in Böden und Flüssen sind. Darüber hinaus kann der durch Kolloide transportierte P den Transport von P aus dem Boden in externe Gewässer verstärken. Daher ist es wichtig zu verstehen, wie Bodenkolloide und ihre Funktionen in verschiedenen terrestrischen Ökosystemen (z.B. Wald, Savanne und Ackerbau) und bei verschiedenen anthropogenen Störungen (z.B. Weidehaltung und Düngung) variieren. Amazonas-schwarze-Erden (oder Terra Preta de Indico) sind als äußerst fruchtbare Böden bekannt, die über Jahrhunderte hinweg hohe Ernteerträge sichern können. Während diese Fruchtbarkeit häufig auf das Vorhandensein von Black Carbon zurückgeführt wurde, wurde der Verfügbarkeit und kolloidalen Bindung wichtiger Nährstoffe nur wenig Aufmerksamkeit geschenkt. Die Größenverteilung und die Elementzusammensetzung wasserdispergierbarer Kolloide (WDC) in bewaldeten und kultivierten Terra-Preta-Oberböden (0-10 cm, Anthrosole), sowie in den angrenzenden Nicht-Terra-Preta-Kontrollböden (Acrisols) mittels Asymmetrical Flow Field Flow Fractionation (AF4) zeigten, dass die WDC in den Terra-Preta-Böden einen signifikanten Anteil an organisch-mineralischen Assoziaten im Größenbereich von 30-300 nm enthielten, wohingegen in den angrenzenden Acrisols wasserdispergierbare Nanopartikel mit einem Durchmesser <30 nm dominierten. Die Verschiebung zu größeren WDC-Größen in den Terra-Preta-Böden ging mit erhöhten pH-Werten sowie mit erhöhten Gehalten an Si, Al, Fe, Ca und organischen Stoffen einher. Auch die P-Konzentrationen waren sowohl in der wasserextrahierbaren Phase (WEP) als auch in den WDC-Extrakten der Terra-Preta-Böden im Vergleich zu den angrenzenden Acrisolen erhöht. Es wurde angenommen, dass die höheren pH-Werte und Ca-Ionen-Konzentrationen die Beteiligung der organischen Bodensubstanz (SOM) an der Bildung größerer Kolloide aus kaolinitartigen Tonmineralien, Eisenoxiden und Ca-Ionen in den Terra-Preta-Böden förderten. Der erhöhte Ca-Gehalt in den Terra-Preta-Bodenkolloiden kann auch zur Rückhaltung von P beitragen, wahrscheinlich durch die Bindung von anionischem P wie Orthophosphat an die SOM. Die Verhinderung der Bodenversauerung ist daher nicht nur für Acrisols zu empfehlen, sondern auch für die Erhaltung der Kolloidstrukturen und der damit verbundenen Fruchtbarkeit in Terra-Preta-Böden. In Grasland, Savannen und anderen Trockenland-Ökosystemen auf der ganzen Welt dringen holzige Pflanzen durch die Beweidung mit Vieh und die Unterdrückung von Bränden immer weiter vor. Diese bedeutenden Veränderungen der Bodenbedeckung beeinflussen die kolloidalen Eigenschaften des Bodens, was sich auf den Kohlenstoff- (C), Stickstoff- (N) und P-Kreislauf auswirkt. Die Ergebnisse zeigten, dass Oberflächenböden (0 - 10 cm) unter Eichen und Wacholdern kleinere WDC-Größen und erhöhte kolloidale organische Kohlenstoff- (OC) und P-Konzentrationen aufwiesen, insbesondere in den Größenfraktionen der Nano- (< 30 nm) und Feinkolloide (30 - 240 nm). Die Ausbreitung von Gehölzen führte zu einer Anreicherung von Ca, Fe, Al, Si und Mg in den WDC im ungestörten Ökosystem, veränderte jedoch nicht die Konzentrationen in den abgegrasten oder verbrannten Gebieten. Kolloidales P, das hauptsächlich als Orthophosphat und Orthophosphatdiester auftrat, wie die 31P-Kernresonanzspektroskopie (31P-NMR) Ergebnisse zeigten, war mit kolloidalen OC-Ca-Komplexen und nicht mit Tonmineralen oder Al- und Fe-(Hydro)oxiden assoziiert. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Ausbreitung von Gehölzen die Rückhaltung von OC und P durch natürliche Kolloide verstärken kann, wodurch sich die C- und P-Pools in Savannenböden erhöhen. Nano- und kolloidale Partikel spielen eine wichtige Rolle bei der Migration und dem Verlust von P aus landwirtschaftlich genutzten Böden. Allerdings ist nur wenig über ihre relative Verteilung in Ackerkulturböden unter verschiedenen landwirtschaftlichen Geolandschaften auf regionaler Ebene bekannt. Die AF4-Ergebnisse zeigten, dass WDC aus Oberflächenböden (0-20 cm Tiefe), die von 15 landwirtschaftlichen Feldern in der Provinz Zhejiang, China, gesammelt wurden, darunter zwei Standorte mit unterschiedlichen Strategien für den Kohlenstoffeintrag, in wasserdispergierbare Nanokolloide (0,6-25 nm), feine Kolloide (25-160 nm) und mittlere Kolloide (160-500 nm) unterteilt wurden. Auf regionaler Ebene wurden drei Stufen des feinkolloidalen P-Gehalts (3500-6000, 900-2500 und 500-650 µg kg-1) ermittelt. Der nanokolloidale Anteil korrelierte mit OC und Ca, der feinkolloidale Anteil mit OC, Si, Al und Fe. Signifikante lineare Beziehungen bestanden zwischen kolloidalem P und OC, Si, Al, Fe, Ca und für nanokolloidales P mit Ca. Der organische Kohlenstoff kontrollierte die kolloidale P-Sättigung, was sich wiederum auf die Fähigkeit der Kolloide als P-Träger auswirkte. Der Eintrag von organischem Kohlenstoff im Feldmaßstab änderte das allgemeine Muster in den Größenfraktionen der wasserdispergierbaren Kolloide nicht. Sie wirkten sich jedoch erheblich auf die Spitzenkonzentration in jeder der nano-, fein- und mittelkolloidalen P-Konzentrationen aus. Die Ausbringung von chemischem Dünger mit kohlenstoffhaltigem Feststoffdünger und/oder modifizierter Biokohle verringerte den Gehalt an nano-, fein- und mittelkolloidalem P im Boden um 30-40 %; die Ausbringung von chemischem Dünger mit Biogasgülle erhöhte jedoch die Bildung von kolloidalem P. Diese Ergebnisse ermöglichten ein tiefgreifendes und neuartiges Verständnis der Formen und der Zusammensetzung von kolloidalem P in landwirtschaftlich genutzten Böden und verdeutlichten deren räumliche Regulierung durch Bodeneigenschaften und Kohlenstoffeintrag. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der terrestrische Ökosystemtyp (Wald, Savanne und Ackerbau) für den Gehalt an kolloidalem P, die Größenverteilung und die Zusammensetzung ausschlaggebend ist. Die Bewirtschaftung (z.B. Weidehaltung und/ Düngung) hatte nur begrenzte Auswirkungen auf den Gehalt und die Zusammensetzung von kolloidalem P, jedoch keine offensichtlichen Auswirkungen auf die Verteilung von P zwischen den verschiedenen Größenfraktionen. Gleichzeitig zeigte diese Arbeit auch, dass der pH-Wert des Bodens, die organische Substanz und Ca eine entscheidende Rolle bei der Bindung von P an Bodenkolloide spielen. Diese Ergebnisse ermöglichten einen tieferen Einblick in die natürlichen Prozesse im Zusammenhang mit Bodenkolloiden in verschiedenen terrestrischen Ökosystemen.

Einrichtungen

• Fachgruppe Biologie [160000]
• Lehrstuhl für Umweltbiologie und -chemodynamik [162710]