Magnesium stable isotopes as a proxy for biogeochemical processes in terrestrial environment

• Magnesiumstabile Isotope als Proxy für biogeochemische Prozesse in terrestrischer Umgebung

Wang, Yi; Klumpp, Erwin (Thesis advisor); Schäffer, Andreas (Thesis advisor)

Aachen (2019, 2020)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Kurzfassung

Magnesium (Mg) ist das vierthäufigste Element der Erde und spielt eine wichtige Rolle bei biologischen Aktivitäten. Einige am Mg-Zyklus beteiligte Prozesse können Mg stabile Isotope fraktionieren, was die Mg Isotopensystematik zu einem neuen und vielversprechenden Proxy in der Biogeochemie macht. Um unser Verständnis der Mg-Isotopenfraktionierung in verschiedenen Ökosystemen zu verbessern, umfassen die in dieser Doktorarbeit durchgeführten Studien: i) Mg-Isotopenfraktionierung von Pflanzen unter Mg-Mangel, ii) Mg-Isotopenfraktionierung in landwirtschaftlichen Systemen, die von langfristigen anthropogenen Bodenpraktiken beeinflusst werden, und iii) Soil Mg-Isotopensignaturen in der Atacama-Wüste als extreme Umgebung von Hyperaridität. Magnesiummangel behindert das Pflanzenwachstum. Ein integrativer Tracer, der Pflanzenreaktionen auf Mg-Mangel aufzeigt, fehlt jedoch noch. Hier wurden Mg-Isotope als Indikator mit der Hypothese verwendet, dass Mg-Mangel eine erhöhte Mg-Isotopenfraktionierung in den Pflanzen während der Aufnahme und nachfolgender Translokationsprozesse fördern könnte. Um diese Hypothese zu testen, Weizenpflanzen (Triticum aestivum) wurden in einem Treibhaus angebaut unter Mg-genügenden und mangelhaften Bedingungen, und Mg-Konzentrationen sowie deren δ26Mg Isotopenzusammensetzungen in Wurzeln, Stängeln, Blättern und Ähren in verschiedenen Wachstumsphasen wurden analysiert. Die Ergebnisse bestätigten die Resultate früherer Studien, dass Pflanzen im Verhältnis zur Nährlösung systematisch mit schweren Isotopen angereichert wurden. Diese Anreicherung war jedoch bei niedrigem Mg-Angebot stärker ausgeprägt, was auf den erhöhten Beitrag des aktiven Transportsystems für Mg zurückzuführen ist. Mit dem Pflanzenwachstum verlagerte sich die δ26Mg der Triebe in Richtung höherer Werte unter der Kontrolle, aber nicht unter niedriger Mg-Versorgung, was auf eine reduzierte Wurzelschussaufwärts-Translokation unter niedriger Mg-Versorgung hinweist. Im Reproduktionszustand wurde das leichte Mg in den Stielen neu verteilt. Insgesamt kann die anfängliche Mg-Versorgung die Mg-Isotopenfraktionierung in Pflanzen beeinflussen und die Beurteilung der Mg-Isotopenzusammensetzung von Pflanzenorganen ist ein nützlicher Indikator für unterschiedliche Reaktionen der Pflanze auf die Mg-Versorgung aus der externen Umgebung. Kalkung ist in West- und Mitteleuropa weit verbreitet, um den Säuregehalt des Bodens zu verringern. Seine Rolle beim Kreislauf von Mg in Ackerbausystemen ist jedoch noch nicht vollständig geklärt. Im zweiten Teil der Arbeit Mg-Konzentrationen und natürliche Isotopenzusammensetzungen mit Bodenprofilen und deren Vegetation (Winterroggen) aus einem landwirtschaftlichen Versuchsfeld für Langzeitstudien mit und ohne Äscherpraxis wurden systematisch analysiert. Die δ26Mg-Signaturen des Bulk-Mg-Pools im Boden im untersuchten Albic-Luvisol zeigten eine begrenzte Variation mit der Tiefe und zwischen den Versuchen. Im Gegensatz dazu zeigte der bodenaustauschbare Mg Pool einen scheinbaren Anstieg der δ26Mg-Werte entlang des Profils bis in eine Tiefe von 50 cm, insbesondere im gekalkten Feld mit einer stärkeren negativen Verschiebung von δ26Mg als im ungekalktem Feld. Die beobachtete Anreicherung von leichten Mg-Isotopen in den oberen Schichten resultierte hauptsächlich aus der Kalkablagerung und der Pflanzenaufnahme. Ein Isotopenmischmodell wurde verwendet, um den jeweiligen Beitrag von Kalkanwendung und Pflanzenaufnahme zu den Mg-Isotopenzusammensetzungen im austauschbaren Mg-Pool zu bewerten. Die Ergebnisse zeigten, dass die jahrzehntelange Äscherpraxis vermutlich die Mg-Aufnahme durch die Vegetation beim Vergleich von kalkhaltigen und ungeklärten Feldern erhöht hat. Es wurden jedoch keine nachgewiesenen Effekte der Äsche auf die Isotopenzusammensetzung des Pflanzen-Mg beobachtet. Winterroggen, der sowohl auf kalkhaltigen als auch auf nicht kalkhaltigen Feldern angebaut wurden, zeigten identische Mg-Isotopenzusammensetzungen in den Wurzeln und Ähren, die am meisten mit isotopisch schwerem Mg angereichert waren. Die Silikatverwitterung hat sich als Grund für die Fraktionierung von Mg-Isotopen in der Natur erwiesen. Wie Mg-Isotope unter extremen klimatischen Bedingungen fraktioniert werden ist unklar. Im dritten Teil dieser Arbeit wurden Mg-Isotopenzusammensetzungen von Oberflächenbodenschichten mit Höhengradienten (von 1300 bis 2700 m ü.d.M.) im Aroma-Transekt der Atacama Wüste analysiert. Es wird angenommen, dass das Mg in der oberen Bodenschicht im Aromatransekt aus der Mischabscheidung sowohl von ozeanischen Aerosolen als auch von den Andeneinträgen stammt. Mit abnehmender Höhe wurden die Böden Mg isotopisch leichter. Die Anreicherung von 26Mg am Standort Ar2000 und Ar1300 deutete auf einen weiteren Mg-Eingangs- oder Verlustprozess hin. Die δ26Mg-Werte in den tieferen Bodenschichten vom Aroma-Transekt als auch von Yungay als Vergleichstandort waren positiv auf den Verwitterungsgrad bezogen. Es wird davon ausgegangen, dass die klimatische Trockenheit die Mg-Isotopensignaturen verändert, indem sie den Verwitterungsgrad beeinflusst. Die vorliegende Studie berichtete zum ersten Mal über die Zusammensetzung der Boden-Mg-Isotope in einer solchen hyperariden Umgebung und schlug eine mögliche Verwendung von Mg-Isotopen zur Rekonstruktion der paläoklimatischen Veränderungen vor. Abschließend lieferten die Studien in dieser Doktorarbeit neue und umfassende Einblicke in die Signaturen und Fraktionierungen von Mg-Isotopen in biogeochemischen Prozessen in der terrestrischen Umwelt.