Pedogenic carbonates in loess formation rates, formation conditions and source apportionment assessed by isotopes and molecular proxies

Titelangaben

Gocke, Martina:
Pedogenic carbonates in loess formation rates, formation conditions and source apportionment assessed by isotopes and molecular proxies.
Bayreuth , 2011
( Dissertation, 2010 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Interest in secondary (pedogenic) carbonates as an archive for paleoclimatic reconstructions in arid and semiarid regions has increased during recent decades. Their carbon (C) isotope composition represents the conditions prevailing during their formation because they are formed by precipitation of Ca2+ from soil solution with dissolved CO2 from soil air originating from root and rhizomicrobial respiration. Thus, pedogenic carbonates are an important tool for estimation of age of pedogenesis and for reconstruction of the local paleovegetation. Potential reequilibration of pedogenic carbonates with younger soil CO2 can entail loss of chronological and paleoenvironmental information. Although methodological resolution of these studies depends on the time scale of pedogenic carbonate formation and recrystallization, its rates and periods remain unknown. The first objective therefore was the first-time assessment of the time frame of pedogenic CaCO3 formation and recrystallization under controlled conditions. The other aim was to reveal the potential of rhizoliths, a special form of pedogenic carbonates (calcified roots), from a loess-paleosol sequence for paleoenvironmental studies. In loess as a common soil parent material, initial CaCO3 recrystallization rates were successfully determined with the 14C isotopic exchange approach by exposing loess to artificially labeled 14CO2 and subsequent quantification of 14C incorporated in secondary (recrystallized) CaCO3. Within the range of natural soil CO2 concentrations, recrystallization rates increased strongly with CO2 concentration. In further studies, loess was exposed to 14CO2 respired by roots and rhizomicrobial organisms of plants labeled in 14CO2 atmosphere, to estimate the effects of several factors (root vicinity, temperature, accumulation depth) on the recrystallization rate. Rates from planted loess were two orders of magnitude higher than those from unplanted loess, mostly in the range of 10-5 day-1. Significantly higher CaCO3 recrystallization rates in rhizosphere than in loess distant from roots were attributed to three factors: high CO2 concentration from root and rhizomicrobial respiration, low pH caused by release of CO2 and root exudates, and high Ca2+ and HCO3- concentration caused by water uptake by roots. Considerable influence of the latter was demonstrated by low CaCO3 recrystallization rates at low temperatures and vice versa, reflecting the increasing transpirational pull with increasing temperatures. Assuming repeated recrystallization of both primary and secondary CaCO3, extrapolation of initial CaCO3 recrystallization rates showed that at least 102 – 103 years are necessary for complete recrystallization of CaCO3 in ‘root-free’ loess by formation of secondary CaCO3, depending on length of the growing season. Increasing temperature promoted CaCO3 recrystallization rates, but the contrast was compensated for recrystallization periods because of the negative effect of increasing temperature on length of the growing season. In contrast, pedogenic carbonates can form much faster close to roots (101 – 102 years) because of mass flow to the roots leading to rhizolith formation. As a consequence of this wide temporal spectrum of pedogenic carbonate formation, variable methodological resolution has to be considered in paleoenvironmental studies based on stable isotope composition of pedogenic carbonates, depending on climatic factors and formation of carbonate concretions. Rhizoliths, formed by encrustation of roots with secondary CaCO3, yield high potential for paleoenvironmental studies. At the late Pleistocene loess-paleosol sequence of Nussloch, SW Germany, rhizolith CaCO3 was completely secondary and not contaminated by postsegregational alteration. Radiocarbon dating of one rhizolith sample reinforced the assumption of potential postsedimentary formation of rhizoliths. In the investigated profile, stable C isotope composition indicated C3 source vegetation for organic matter (OM) of both loess and rhizoliths, but lipid molecular proxies revealed grass biomass as origin of loess OM, and shrub or tree roots as source of rhizoliths. Moreover, OM in loess adjacent to rhizoliths was considerably contaminated by rhizomicrobial and root remains at least up to a distance of 5 cm. Alteration of loess OM and its isotope composition by postsedimentary penetration of deep-rooting plants might entail uncertainties for paleoenvironmental studies based on loess OM. In summary, the important role of vegetation on pedogenic CaCO3 formation and recrystallization was shown under controlled and field conditions. Plant roots and associated microorganisms have direct influence on these processes, while further factors of pedogenesis like climate exert an indirect effect, but on the long term probably are of greater importance than effects on the rhizosphere scale.

Abstract in weiterer Sprache

In den letzten Jahrzehnten hat das Interesse an pedogenen (sekundären) Karbonaten als Archiv für Paläoklimarekonstruktionen in ariden und semiariden Regionen zugenommen. Die Kohlenstoffzusammensetzung pedogener Karbonate repräsentiert die Bedingungen zur Zeit ihrer Bildung, da sie durch Ausfällung von Ca2+ aus der Bodenlösung mit gelöstem CO2 der Bodenluft aus Wurzel- und rhizomikrobieller Atmung entstehen. Deshalb sind pedogene Karbonate ein wichtiger Schlüssel zur Bestimmung des Alters der Bodenbildung und zur Rekonstruktion der lokalen Paläovegetation. Potentielle spätere Reäquilibrierung pedogener Karbonate mit jüngerem Boden-CO2 kann zum Verlust chronologischer und paläoökologischer Informationen führen. Obwohl die methodische Auflösung dieser Studien vom Zeitrahmen der Bildung und Rekristallisation pedogener Karbonate abhängt, sind deren Raten und Zeiträume bisher unbekannt. Das erste Ziel war es, den Zeitrahmen der Bildung und Rekristallisation pedogener Karbonate unter Laborbedingungen zu ermitteln. Weiteres Ziel war, die potentielle Eignung von Rhizolithen, einer besonderen Form von pedogenen Karbonaten (verkalkte Wurzeln) aus einer Löss-Paläosol-Sequenz für Paläoumweltstudien aufzuzeigen. In Löss, einem verbreiteten Ausgangsmaterial der Bodenbildung, wurde der Ansatz des 14C-Isotopenaustausch erfolgreich angewandt, um initiale CaCO3-Rekristallisationsraten zu bestimmen. Hierzu wurde der Löss markiertem 14CO2 ausgesetzt, und der durch Rekristallisation in das CaCO3 eingebaute 14C-Tracer anschließend quantifiziert. Im Bereich der natürlich in Böden auftretenden CO2-Konzentrationen stiegen die Rekristallisationsraten mit steigender CO2-Konzentration stark an. In weiteren Studien wurde Löss dem von Wurzeln und Rhizomikroorganismen veratmeten 14CO2 ausgesetzt, nachdem die Pflanzen in 14CO2-Atmosphäre markiert worden waren, um den Einfluss weiterer Umweltaktoren auf die Rekristallisationrate zu bestimmen. Die Raten in bepflanztem Löss lagen mit Werten im Bereich 10-5 Tag-1 zwei Größenordnungen über jenen in unbepflanztem Löss. Signifikant höhere Rekristallisationsraten in der Rhizosphäre als in wurzelfernem Löss wurden auf drei Faktoren zurückgeführt: hohe CO2-Konzentration durch Wurzel- und mikrobielle Atmung, niedriger pH durch Abgabe von CO2 und Wurzelexudaten und hohe Ca2+- und HCO3--Konzentration, hervorgerufen durch Wasseraufnahme der Wurzeln. Der Einfluss des letzten Faktors wurde durch steigende Raten mit zunehmender Temperatur durch zunehmenden Transpirationssog bestätigt. Unter der Annahme mehrmaliger Rekristallisation des primären und sekundären CaCO3 zeigt die Extrapolation der Rekristallisationsraten, dass im wurzelfernen Löss mindestens 102 – 103 Jahre für die vollständige Rekristallisation des CaCO3 notwendig sind. Die Dauer wird durch die Länge der Vegetationszeit bedingt. Zunehmende Temperatur erhöhte zwar die Raten, aber der Kontrast wurde für die Rekristallisationsperioden durch den negativen Effekt steigender Temperaturen auf die Länge der Vegetationszeit abgeschwächt. In Wurzelnähe können pedogene Karbonate viel schneller gebildet werden (101 – 102 Jahre), wenn zur Wurzel gerichteter Massenfluss zur Bildung von Rhizolithen führt. Infolge dieses weiten Zeitspektrums der Bildung pedogener Karbonate muss in Paläoumweltstudien, die auf der stabilen Isotopenzusammensetzung pedogener Karbonate basieren, unterschiedliche methodische Auflösung berücksichtigt werden. Diese hängt von klimatischen Faktoren und der Bildung von Konkretionen ab. Rhizolithe, die durch Umkrustung von Wurzeln mit sekundärem CaCO3 entstehen, weisen ein hohes Potential für Paläoumweltrekonstruktionen auf. In der spätpleistozänen Löss-Paläoboden-Sequenz von Nussloch (SW-Deutschland) war das Rhizolith-CaCO3 vollständig sekundär und nicht durch nachträgliche Prozesse kontaminiert. Die 14C-Datierung eines Rhizoliths bekräftigte die Vermutung der möglichen postsedimentären Bildung. Im untersuchten Profil deutete sowohl die stabile Kohlenstoffzusammensetzung der organischen Substanz (OM) im Löss als auch die der Rhizolithe auf C3-Vegetation hin. Molekulare Lipidproxies zeigten jedoch, dass die Löss-OM von Grasbiomasse stammt, während die Rhizolithe von Strauch- oder Baumwurzeln gebildet wurden. Außerdem war die OM im den Rhizolithen benachbarten Löss bis in eine Distanz von mindestens 5 cm durch rhizomikrobielle und Wurzelüberreste kontaminiert. Die Überprägung der Löss-OM und ihrer isotopischen Zusammensetzung durch postsedimentär eindringende tiefwurzelnde Pflanzen könnte die Ergebnisse von auf Löss-OM basierenden Paläoumweltstudien verfälschen. Zusammenfassend wurde die Bedeutung der Vegetation für die Bildung und Rekristallisation pedogener Karbonate unter Labor- und Feldbedingungen gezeigt. Wurzeln und Mikroorganismen haben direkten Einfluss auf diese Prozesse, während z.B. Klimafaktoren indirekten Einfluss ausüben. Über längere Zeiträume sind diese Faktoren wahrscheinlich wichtiger als Effekte auf Rhizosphärenskala.