Durch gelöste organische Substanz bedingte Veränderungen von Mineralen und organo-mineralischen Wechselwirkungen während der Reisbodenentwicklung

Teilprojekt in FOR 995 Biogeochemistry of paddy soil evolution

Voruntersuchungen an einer Chronosequenz von Nassreisböden in Südchina deuten an, dass Entwicklung und Biogeochemie von Nassreisböden vom Ausgangsmaterial, also dem ursprünglichen Bodentyp abhängen. Das Forschungsprojekt zielt auf die durch Redoximorphose verursachten Veränderungen im Mineralbestand und von mineral-assoziierter organischer Substanz ab. Dazu werden Bodenproben einer Abfolge von Redoxzyklen unterworfen. Ziel ist Bildung und Entwicklung von Nassreisböden im Labor experimentell zu untersuchen. Die ausgewählten Bodentypen werden ein weites Spektrum an Eigenschaften sowie unterschiedliche Entwicklungsstufen zu Nassreisböden aufweisen. Wir vermuten, dass gelöste organische Substanz ein Schlüsselfaktor der redox-induzierten Umwandlung zu Nassreisböden ist. Sie dient als Elektronendonator und interagiert mit Metallionen und Mineralen. Das Ausmaß der Effekte sollte von Mineralbestand und der organischen Substanz (sowie deren Wechselwirkungen) des Ausgangsbodens abhängen. Die experimentelle Nassreisboden-Bildung wird durch Untersuchungen der Bodenlösung, der Umverteilung von Kohlenstoff (unter Verwendung 13C-markierten Reisstrohs), von Biomarkern (Zucker, Aminosäuren, Fettsäuren, Lignin) und von Mineralen (einschließlich des Redoxzustands von Fe) verfolgt. Die Analyse der organischen Substanz als auch der Minerale wird außerdem mit EXAFS und XPS erfolgen; für Fe-haltige Minerale planen wir den Einsatz der Mößbauer-Spektroskopie. Unser Konzept einer experimentellen Pedologie verspricht eine umfassende Verbesserung des Verständnisses der Hauptfaktoren der Bildung und Entwicklung von Nassreisböden.

Changes in the mineral composition of paddy soils upon redox cycles

Previous studies indicated that the development and biogeochemistry of paddy soils relates to the parent material, thus the original soil paddies derive from. The proposed research focuses on redox-mediated changes in mineral composition and mineral-associated organic matter (OM) during paddy transformation of different soils. We plan to subject soil samples to a series of redox cycles, in order to mimic paddy soil formation and development. Soils with strongly different properties and mineral composition as well as at different states of paddy transformation; ranging from unchanged soils to fully developed paddy soils, are to be included. We hypothesize that dissolved organic matter is one key driver in redox-mediated transformations, serving as an electron donator as well as interacting with dissolved metals and minerals. The extent of effects shall depend on the parent soil s original mineral assemblage and organic matter and their mutual interactions. The experimental paddy soil transformation will tracked by analyses of soil solutions, of the (re-)distribution of carbon (by addition of 13C-labelled rice straw), of indicative biomolecules (sugars, amino sugars, fatty acids, lignin) and of minerals (including the redox state of Fe). For analyses of organic matter as well as of mineral characteristics we plan to utilize EXAFS and XPS, for Fe-bearing minerals also Mößbauer spectroscopy. This approach of experimental pedology seems appropriate to give insight into the major factors during paddy soil formation and development.