Stabilization of organic matter by soil minerals — investigations of density and particle-size fractions from two acid forest soils

We tested the hypothesis whether organic matter in subsoils is a large contributor to organic carbon (OC) in terrestrial ecosystems and if survival of organic matter in subsoils is the result of an association with the soil mineral matrix. We approached this by analyzing two forest soil profiles, a Haplic Podzol and a Dystric Cambisol, for the depth distribution of OC, its distribution among density and particle-size fractions, and the extractability of OC after destruction of the mineral phase by treatment with hydrofluoric acid (HF). The results were related to indicators of the soil mineralogy and the specific surface area. Finally, scanning electron microscopy combined with energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDX) was used to visualize the location of OC at mineral surfaces and associations with elements of mineral phases. The subsoils (B and C horizons) contained 40—50% of the soil OC including the organic forest floor layers. With increasing depth of soil profiles (1) the radiocarbon ages increased, and (2) increasing portions of OC were either HF-soluble, or located in the density fraction d >1.6 g cm—3, or in the clay fraction. The proportions of OC in the density fraction d >1.6 g cm—3 were closely correlated to the contents of oxalate and dithionite-citrate-bicarbonate-extractable Fe (r2 = 0.93 and 0.88, P <0.001). SEM-EDX analyses suggested associations of OC with aluminum whereas silicon-enriched regions were poor in OC. The specific surface area and the microporosity of the soil mineral matrix after destruction of organic matter were less closely correlated to OC than the extractable iron fractions. This is possibly due to variable surface loadings, depending on different OC inputs with depth. Our results imply that subsoils are important for the storage of OC in terrestrial ecosystems because of intimate association of organic matter with secondary hydrous aluminum and iron phases leading to stabilization against biological degradation. Stabilisierung organischer Substanz im Unterboden Wir gingen der Frage nach, inwieweit der Unterboden zur Speicherung organischen Kohlenstoffs in terrestrischen Ökosystemen beiträgt und welche Rolle dabei der Bindung an die Mineralphase zukommt. Untersucht wurden zwei Profile von Waldböden (Braunerde-Podsol, schwach pseudovergleyte Braunerde). Wir bestimmten die Verteilung organischen Kohlenstoffs im Profil sowie in Dichte- und Korngrößenfraktionen. Außerdem wurde die Extrahierbarkeit von Kohlenstoff nach Zerstörung der Minerale mit Flusssäure (HF) ermittelt. Die Ergebnisse setzten wir mit chemischen Indikatoren der Mineralogie sowie der spezifischen Oberfläche in Beziehung. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen in Kombination mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie (REM-EDX) wurden zur Visualisierung der organischen Substanzen auf Mineraloberflächen und ihrer Assoziation mit Elementen der Mineralphasen verwendet. Auf die Unterböden entfiel ein großer Teil (40—50%) des in den untersuchten Profilen einschließlich der organischen Auflagen gespeicherten organischen Kohlenstoffs. Mit zunehmender Bodentiefe nahmen (1) die 14C-Alter zu und waren (2) zunehmende Anteile des Kohlenstoffs HF-löslich bzw. in der Dichtefraktion d >1.6 g cm—3 und in den Tonfraktionen angereichert. Die C-Anteile in der Dichtefraktion d >1.6 g cm—3 waren eng mit den Gehalten an oxalat- und dithionitlöslichem Eisen korreliert (r2 = 0.93 bzw. 0.88, P <0.001). Die REM-EDX-Untersuchungen zeigten, dass die Akkumulation von Kohlenstoff häufig auch mit Aluminiumanreicherungen einhergehen. Zonen mit Siliciumanreicherungen waren dagegen immer an Kohlenstoff abgereichert. Die spezifische Oberfläche bzw. die Mikroporosität der Mineralmatrix nach Zerstörung der organischen Substanz waren weniger eng mit organischem Kohlenstoff korreliert als dies für extrahierbares Eisen der Fall war. Dies hängt möglicherweise mit der mit der Bodentiefe variierenden Kohlenstoffbelegung der Oberflächen infolge unterschiedlicher Einträge an organischer Substanz zusammen. Unsere Ergebnisse weisen Unterböden als wichtige Kohlenstoffspeicher terrestrischer Ökosysteme aus. Ursache ist die enge Bindung der organischen Substanz an sekundäre Aluminium- und Eisen-Hydroxidphasen, die zu einer Stabilisierung gegenüber biologischem Abbau führt.