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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-69785
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2014/6978/


Content, Distribution, and Translocation of Trace Elements in Permafrost-Affected Environments of the Siberian Arctic

Gehalt, Verteilung und die Translokation von Spurenelementen in von Permafrost beeinflusster Umwelt der Sibirischen Arktis

Antcibor, Iuliia

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SWD-Schlagwörter: Spurenelement , Dauerfrostboden , Umweltverschmutzung , Sibirien , Klimaänderung
Freie Schlagwörter (Deutsch): Hintergrundgehalt, unberührte Gebiete
Freie Schlagwörter (Englisch): Trace elements , Permafrost-Affected soils , background concentrations , northeastern Siberia
Basisklassifikation: 43.12
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Naturwissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Pfeiffer, Eva-Maria (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 16.06.2014
Erstellungsjahr: 2014
Publikationsdatum: 19.09.2014
Kurzfassung auf Englisch: Permafrost-affected environments are characterized by slow biogeochemical cycles due to their low temperatures. The slow rates of biogeochemical processes in Arctic landscapes lead to a high susceptibility to contamination and to a low pollution resistance. Trace metals are one of the major groups of industrial pollutants and can reach the Arctic by different paths, namely through local human activity and via long-range atmospheric transport. At present, the knowledge about the background levels of trace metals and their behavior in soils of the Arctic Regions is very limited, and in particular research is needed to understand the effect of permafrost conditions on trace metal mobility and distribution. This question is particularly important in the light of anticipated changes of climatic conditions. The predicted temperature increase in the Arctic region may lead to an increase of the annual thaw depth of the soils and a change of the groundwater table, which may affect the spatial distribution of contaminants. Therefore, there is a special need to study the processes that govern trace metal distribution in soils affected by permafrost. This knowledge may also help to gain more information about the ecological state of Arctic ecosystems and to estimate possible effects from direct anthropogenic pollution and, subsequently, predicted climate change.
Northeast Siberia represents an area remote from evident anthropogenic trace metal sources. This fact affords an opportunity to investigate trace metal levels in pristine environments. Soil samples from the Lena River Delta region and its hinterland, collected in 2009, 2010, and 2011 were analysed. The element concentrations in studied soils varied greatly ranging, for example, from 0.01 to 0.71 mg kg-1 for Cd, from 0.6 to 65.0 mg kg-1 for Cu, from 0.9 to 55.4 mg kg-1 for Ni, from 2.14 to 38.9 mg kg-1 for Pb, and from 12.1 to 440 mg kg-1 for Zn. It could be shown that the Lena River Delta and its hinterland are pristine and can serve as a reference region for determining human influences on permafrost-affected landscapes.
The obtained results showed that element properties and soil physical and chemical characteristics are one of the major factors controlling the element distribution in studied landscapes. Furthermore, topography features (e.g. micro-relief forms) and water drainage are likely to govern more intensive element migration to adjacent landscapes and their accumulation on natural physico-chemical barriers. This study also showed that the accumulation of trace elements by different vegetation types reflects mainly the plant’s biogeochemical characteristics. Furthermore, the soil geochemical composition of natural tundra landscapes presumably controls the element uptake by plants.
A laboratory experiment was performed to determine how the temperature regime affects the contaminant distribution within the soil matrix at the boundary between a contaminated surface soil layer and an uncontaminated deeper soil layer. The hypothesis was that the water transfer to the freezing front will be accompanied by a downward migration of water soluble metals within the soil column. The results of this experiment showed that diffusion along the concentration gradient seemed to be the most important mechanism controlling the migration of water soluble forms of Cd and Pb in unsaturated soils. In the frozen soils, no clear relation between water migration and the metal distribution was found. A decrease of the Cd mobility in the lower parts of the frozen columns in comparison with the unfrozen columns, suggests that frozen soils acted as a temporal geochemical barrier restricting further downward Cd transport. However, the experimental data obtained is still not enough to understand all the mechanisms of transport processes that occur under natural conditions. To gain a better understanding of these mechanisms, further investigations are needed to provide explanations, which which allow to quantitatively asses element transport and could be introduced to existing analytical modelling methods.
The results of this research enable a better assessment of the ecological state of permafrost-affected soils as one of the major components of Arctic ecosystems in changing climatic conditions.
Kurzfassung auf Deutsch: Permafrostgeprägte Regionen sind durch langsame biogeochemische Stoffkreisläufe charakterisiert; dies ist durch das Niedrigtemperatur-Regime bedingt. Durch diese langsamen Stoffkreisläufe sind die arktischen Regionen sehr anfällig für Kontamination und haben eine geringe Toleranz gegenüber dem Eintrag von Schadstoffen. Spurenmetalle sind eine der größten Gruppen industrieller Schadstoffe. Sie können über verschiedene Wege in die Arktis gelangen, hauptsächlich durch lokale menschliche Aktivitäten und aus weiterentfernten Regionen durch atmosphärischen Transport. Informationen über Hintergrundgehalte von Spurenmetallen und ihre Rolle in arktischen Böden ist ergänzungsbedürftig, ins Besondere ist eine intensivere Untersuchung des Einflusses von Permafrost-Bedingungen auf Spurenmetall-Mobilität und –verbreitung notwendig. Diese Frage ist vor dem Hintergrund der prognostizierten klimatischen Veränderungen von Bedeutung. Der vorhergesagte Temperaturanstieg in der Arktis könnte zu einer Zunahme der jährlichen Auftautiefe in Permafrostböden und zu einer Veränderung der Bodenhydrologie führen. Solche Veränderungen können die räumliche Verteilung von eingetragenen Stoffen beeinflussen. Aus diesen Gründen ist es von besonderer Bedeutung, das die Prozesse, welche Spurenmetallverlagerung in Permafrostböden beeinflussen, genauer untersucht werden. Derartige Untersuchungen würden zudem mehr Informationen zur Situation des Ökosystems Arktis liefern und dazu beitragen, den Einfluss der vorhergesagten klimatischen Veränderungen auf die Mobilisierung anthropogener Schadstoffe besser zu verstehen.
Nordostsibirien stellt eine Region fernab nennenswerter anthropogen-bedingter Spurenmetalleinträge dar, und ist damit eine zur Untersuchung von Spurenmetall-Konzentrationen in naturbelassenen Landschaftsräumen hervorragend geeignete Region. Bodenproben aus dem Lena-Delta und dem Küstenhinterland aus den Jahren 2009, 2010 und 2011 wurden analysiert. Die Elementkonzentrationen in den untersuchten Böden zeigen eine große Varianz (z.B.: 0.01 bis 0.71 mg kg-1 Cd, 0.60 bis 65.0 mg kg-1 Cu, 0.90 bis 55.4 mg kg-1 Ni, 2.14 to 38.9 mg kg-1 Pb, und 12.1 bis 440 mg kg-1 Zn). Es konnte gezeigt werden, dass das Lena-Delta und das Küstenhinterland naturbelassen und ohne nennenswerten anthropogenen Eintrag von Schadstoffen sind. Damit kann dieses Gebiet als ein Vergleichsstandort herangezogen werden, um den menschlichen Einfluss auf Permafrost-geprägte Regionen zu bestimmen.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Elementeigenschaften und die bodenphysikalischen und –chemischen Parameter die Hauptfaktoren bei der Element-Verbreitung in den untersuchten Landschaften sind. Darüber hinaus ist ein erheblicher Einfluss von Topographie und Hydrologie auf Elementverlagerungen in angrenzende Ökosysteme und auf Elementakkumulierung an physikalisch-chemischen Grenzflächen wahrscheinlich. Weiterhin zeigte diese Untersuchung, dass die Akkumulierung von Spurenelementen in verschiedenen Vegetationstypen die biogeochemischen Eigenschaften der Pflanzenarten widerspiegelt. Des Weiteren ist es wahrscheinlich, dass die geochemische Zusammensetzung naturbelassener Tundralandschaften die Elementaufnahme durch Pflanzen bestimmt.
Ein Laborexperiment wurde durchgeführt, um den Einfluss des Temperaturregimes auf die Schadstoffverteilung in der Bodenmatrix an der Grenzfläche zwischen kontaminierter Oberbodenschicht und nicht kontaminierter Unterbodenschicht zu beschreiben. Die aufgestellte Hypothese war, dass der Wassertransfer zur Frierfläche (\\\"freezing front\\\") von einer nach unten gerichteten Migration der wasserlöslichen Metalle in der Bodensäule begleitet werden würde. Die Ergebnisse zeigten, dass der wichtigste Transportmechanismus die Diffusion entlang des Konzentrationsunterschiedes zu sein schien, welcher die Migration von Cd und Pb in wasserungesättigten Böden bestimmt. In gefrorenen Böden konnte keine eindeutige Beziehung zwischen Wassermigration und Metallkonzentration festgestellt werden. Eine Reduktion der Cd-Mobilität in den unteren Bereichen der gefrorenen Säule, im Vergleich zu den ungefrorenen Bereichen, lässt vermuten, dass der gefrorene Boden als eine zeitweilig wirksame geochemische Barriere fungierte, welche eine weitere nach unten gerichtete Ausbreitung von Cd verhinderte. Die experimentell gewonnen Daten sind jedoch nicht umfassend genug, um alle Mechanismen nachzuvollziehen, welche die Metallverlagerung in einer natürlichen Umgebung beeinflussen. Zum vertiefenden Verständnis sind weitere Untersuchungen notwendig, welche dann auch quantitative Vorhersagen als Beitrag zu existierenden analytischen Modellierungsmethoden ermöglichen könnten.
Die Ergebnisse dieser Studie erlauben eine verbesserte Bewertung der ökologischen Situation von permafrostgeprägten Böden, welche eine der wichtigsten Komponenten des arktischen Ökosystems in einem sich ändernden Klima darstellt.

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