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Carbon storage in loess derived surface soils from Central Germany: Influence of mineral phase variables

2002; Wiley; Volume: 165; Issue: 2 Linguagem: Inglês

10.1002/1522-2624(200204)165

1522-2624

Maren Kahle, Markus Kleber, Reinhold Jahn,

Soil and Water Nutrient Dynamics

The influence of the soil mineral phase on organic matter storage was studied in loess derived surface soils of Central Germany. The seven soils were developed to different genetic stages. The carbon content of the bulk soils ranged from 8.7 to 19.7 g kg—1. Clay mineralogy was confirmed to be constant, with illite contents > 80 %. Both, specific surface area (SSA, BET-N2-method) and cation exchange capacity (CEC) of bulk soils after carbon removal were better predictors of carbon content than clay content or dithionite-extractable iron. SSA explained 55 % and CEC 54 % of the variation in carbon content. The carbon loadings of the soils were between 0.57 and 1.06 mg C m—2, and therefore in the ”︁monolayer equivalent” (ME) level. The increase in SSA after carbon removal (ΔSSA) was significantly and positively related to carbon content (r2 = 0.77). Together with CEC of carbon-free samples, ΔSSA explained 90 % of the variation in carbon content. Clay (< 2 μm) and fine silt fractions (2—6.3 μm) contained 68—82 % of the bulk soil organic carbon. A significantly positive relationship between carbon content in the clay fraction and in the bulk soil was observed (r2 = 0.95). The carbon pools of the clay and fine silt fractions were characterized by differences in C/N ratio, δ13C ratio, and enrichment factors for carbon and nitrogen. Organic matter in clay fractions seems to be more altered by microbes than organic matter in fine silt fractions. The results imply that organic matter accumulates in the fractions of smallest size and highest surface area, apparently intimately associated with the mineral phase. The amount of cations adhering to the mineral surface and the size of a certain and specific part of the surface area (ΔSSA) are the mineral phase properties which affect the content of the organic carbon in loess derived arable surface soils in Central Germany most. There is no monolayer of organic matter on the soil surfaces even if carbon loadings are in the ME level. Kohlenstoffspeicherung in mitteldeutschen Oberböden aus Löß: Einfluss der Mineralphase In Oberböden mitteldeutscher Ackerstandorte wurde der Einfluss der Bodenmineralphase auf die Speicherung von organischer Substanz untersucht. Die sieben aus Löß entstandenen Böden waren genetisch unterschiedlich weit entwickelt. Der Kohlenstoffgehalt der Oberböden erreichte Werte von 8,7 bis 19,7 g kg—1. Die Tonmineralogie war in allen Böden gleich mit Illitgehalten von > 80 %. Sowohl die spezifische Oberfläche (SSA, BET-N2-Methode) als auch die Kationenaustauschkapazität (CEC) der Böden nach Kohlenstoffentfernung waren geeignetere Variablen zur Vorhersage des Kohlenstoffgehaltes als der Tongehalt oder das Dithionit-extrahierbare Eisen. Durch die SSA war in der Lage, 55 % der Variabilität des Kohlenstoffgehaltes wurden erklärt, durch die CEC 54 %. Die Belegung der Oberfläche mit Kohlenstoff erreichte Werte zwischen 0,57 und 1,06 mg C m—2 und lag somit im Bereich der „monolayer äquivalenten“ (ME) Belegung. Die Beziehung zwischen dem Kohlenstoffgehalt und der Zunahme der spezifischen Oberfläche durch die Entfernung der organischen Substanz (ΔSSA) war signifikant positiv (r2 = 0,77). Zusammen mit der CEC der Proben nach Kohlenstoffentfernung erklärte ΔSSA 90 % der Variabilität des Kohlenstoffgehaltes. Die Ton- (< 2 μm) und Feinschluff-Fraktionen (2—6,3 μm) der Böden enthielten 68—82 % des organischen Kohlenstoffs. Zwischen den Kohlenstoffgehalten der Tonfraktion und des Feinbodens wurde eine signifikant positive Beziehung beobachtet (r2 = 0,95). Die organische Substanz in der Ton- und Feinschluff-Fraktion war durch unterschiedliche C/N-Verhältnisse, δ13C-Werte und Anreicherungsfaktoren für Kohlenstoff und Stickstoff gekennzeichnet. Die organische Substanz in der Tonfraktion scheint im Vergleich zur Feinschluff-Fraktion stärker umgesetzt zu sein. Die Ergebnisse deuten daraufhin, dass sich organische Substanz in den Fraktionen mit der kleinsten Partikelgröße und der höchsten Oberfläche anreichert und dabei scheinbar intensiv mit der Mineralphase assoziiert ist. Der Gehalt an organischem Kohlenstoff in mitteldeutschen Ackeroberböden aus Löß wird in Bezug auf die Mineralphase vor allem durch (1) die Menge der Kationen an der Mineraloberfläche und (2) die Größe eines spezifischen Anteils der Oberfläche (ΔSSA) beeinflusst. Die Kohlenstoffbelegung der Oberfläche entspricht keiner „Monolayer“-Belegung.