Effect of biota on soil mineral dissolution in salt marsh sediment

Abstract

Salt marshes have significant potential to sequester anthropogenic CO2 emissions and store substantial amounts of organic carbon within their ecosystems. On the other hand, salt marshes serve as the source of DIC and alkalinity export, potentially regulating the carbonate chemistry of the adjacent coastal waters, including oceans. However, most studies have focused on the biotic interactions at the ecosystem or the landscape scale, leaving gaps in understanding the potential impact of rhizosphere processes on modulating the alkalinity generation and influencing inorganic carbon dynamics. Furthermore, several salt marsh studies have been conducted in organic-rich sediments, overlooking the organic-poor type in regions such as the Wadden Sea or the Elbe estuary, where inorganic carbon significantly contributes. Hence, this thesis aimed to improve the understanding of the role of the inorganic carbon within the minerogenic salt marsh soil and salt marsh plant-mediated effects on alkalinity generation. Chapter II investigated the rhizosphere effect on alkalinity generation by simulating soil pCO2 conditions and identifying the dominant biogeochemical processes responsible for alkalinity in minerogenic salt marsh soil. The results revealed significant positive feedback of elevated soil pCO2 on TA enrichment, with the maximum TA increase reaching two-fold when soil pCO2 was raised from 440 to 150,000 µatm. Carbonate mineral dissolution was identified as the possible dominant driving force behind TA generation, with an additional contribution from silicate minerals. Chapter III explored the role of biogenic carbonates in feeding the alkalinity budget. This study indicated that fresh biogenic carbonates on the topsoil might not be relevant to increasing TA production. Instead, soil carbonates might represent the primary source driving mineral dissolution and TA generation in this experiment. This might be related to less water exposure time and larger grain size, causing the shells to be less susceptible to the dissolution process. Chapter IV focused on assessing the effects of salt marsh plants on alkalinity generation. Experiment I determined the effect of Spartina x townsendii and Elymus athericus on alkalinity generation. Both plants significantly enhanced the alkalinity generation, with TA concentrations up to 10-fold higher than non-planted columns. This study and the findings of Chapter II provided evidence that high acidity production from respired CO2 in the rhizosphere can induce mineral dissolution. However, the relative contribution of rhizosphere-driven alkalinity via mineral dissolution versus anaerobic respiration remains undetermined. Experiment II aimed to test the assumption drawn from Chapter III's findings and further explored Spartina x townsendii’s role in enhancing biogenic mineral dissolution and alkalinity production. Shell-bearing limestone contributed to mineral dissolution when the powdered minerals were homogeneously mixed with salt marsh soil. Spartina x townsendii increased the TA generation; however, adding additional minerals did not enhance alkalinity. This could be linked to the saturation state of the respective carbonate minerals in the outflow water. In summary, this thesis provided the first empirical evidence of the salt marsh plants' rhizosphere regulating the soil mineral dissolution and the contribution of biogenic carbonates to the alkalinity budget. These findings also challenged the prevailing notion of the unaccountable role of inorganic carbon within the salt marsh, suggesting that carbonate mineral dissolution is likely to be the dominant biogeochemical pathway within the organic-poor minerogenic salt marsh, unlike other organic-rich salt marsh systems. Future studies should also focus on how climate change stressors affect salt marsh biota in terms of alkalinity generation while also incorporating the role of plants in influencing the fate of inorganic carbon in restoration strategies. Additionally, investigating intra- and interspecific variations among plants and their rhizospheres may reveal differential impacts on alkalinity enhancement and the buffering capacity of exported water. Continued research is essential for developing more effective restoration management and climate change mitigation strategies.

Salzmarschen besitzen erhebliches Potenzial zur Bindung anthropogener CO2-Emissionen und haben die Fähigkeit beträchtliche Mengen an organischem Kohlenstoff innerhalb des Ökosystems zu speichern. Des Weiteren stellen Salzmarschen eine Quelle für DIC und den Export von Alkalinität dar, wodurch sie die Karbonatchemie angrenzender Küstengewässer, einschließlich der Ozeane, potentiell regulieren können. Die meisten Studien konzentrierten sich jedoch bisher auf die biotischen Interaktionen auf Ökosystem- oder Landschaftsebene, sodass es Lücken im Verständnis der möglichen Auswirkungen von Prozessen der Rhizosphäre auf die Regulierung der Alkalinität und damit auf die anorganische Kohlenstoffdynamik gibt. Darüber hinaus wurden mehrere Studien über Salzmarschen mit hohem Anteil organischer Substanz im Sediment durchgeführt, wobei der an organischer Substanz verarmte Typ in Regionen wie dem Wattenmeer oder dem Elbeästuar, in denen der anorganische Kohlenstoff eine wichtige Rolle spielt, vernachlässigt wurde. Ziel dieser Arbeit war es daher, das Verständnis über die Rolle des anorganischen Kohlenstoffs in mineralischen Salzmarschen und die von Salzmarschpflanzen vermittelten Auswirkungen auf die Alkalinität zu verbessern. In Kapitel II wurde der Rhizosphären-Effekt auf die Alkalinitätsbildung untersucht, indem die pCO2-Bedingungen im Boden simuliert und die dominanten biogeochemischen Prozesse identifiziert wurden, die für die Alkalinität in mineralischen Salzmarschböden verantwortlich sind. Die Ergebnisse zeigten eine signifikant positive Wirkung von erhöhtem pCO2 im Boden auf die TA-Anreicherung, wobei der maximale TA-Anstieg das Zweifache erreichte, wenn der pCO2-Wert im Boden von 440 auf 150.000 µatm erhöht wurde. Die Auflösung von Karbonatmineralen wurde als mögliche treibende Kraft der TA-Bildung identifiziert, welche durch die Auflösung von Silikatmineralen ergänzt wurde. In Kapitel III wurde die Rolle der biogenen Karbonate für die Bodenalkalinität betrachtet. Die Untersuchungen ergaben, dass neue biogene Karbonate, in Form von Muschelschalen, im Oberboden möglicherweise nicht für die Erhöhung der TA-Produktion relevant sind. Stattdessen könnten Bodenkarbonate die primäre Quelle für die Mineralauflösung und TA-Bildung in diesem Versuchsaufbau gewesen sein. Dies könnte mit der kürzeren Wassereinwirkung und der höheren Korngröße im Boden zusammenhängen, wodurch die Muschelschalen weniger anfällig für den Auflösungsprozess waren. Kapitel IV befasste sich mit dem Einfluss von Salzwiesenpflanzen auf die Bodenalkalinität. In Versuch I wurde die Wirkung von Spartina x townsendii und Elymus athericus auf die Bodenalkalinität bestimmt. Beide Pflanzen erhöhten die Bodenalkalinität erheblich, wobei die TA-Konzentrationen bis zu 10 mal höher waren als in nicht bepflanzten Säulen. Diese Erkenntnisse, sowie die Resultate aus Kapitel II, zeigen, dass eine hohe Säureproduktion aus veratmetem CO2 in der Rhizosphäre die Auflösung von Mineralen bewirken kann. Der relative Beitrag der Alkalinität in der Rhizosphäre durch Mineralauflösung im Vergleich zur anaeroben Atmung bleibt jedoch unbestimmt. In Versuch II wurde die, aus den Ergebnissen von Kapitel III, abgeleitete Annahme überprüft und die Rolle von Spartina x townsendii bei der Förderung der biogenen Mineralauflösung und der Alkalinitätsbildung weiter untersucht. Muschelkalk trug zur Mineralauflösung bei, wenn die pulverisierten Minerale homogen mit Salzwiesenboden vermischt wurden. Spartina x townsendii erhöhte zwar die TA-Bildung; die Zugabe zusätzlicher Minerale führte jedoch nicht zu einer Erhöhung der Alkalinität. Dies könnte mit dem Sättigungszustand der jeweiligen Karbonatminerale im abfließenden Wasser zusammenhängen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit den ersten empirischen Nachweis dafür erbringt, dass die Rhizosphäre der Pflanzen in Salzmarschen die Mineralauflösung im Boden und den Beitrag biogener Karbonate zum Alkalinitätshaushalt reguliert. Diese Ergebnisse stellen zudem die vorherrschende Ansicht der unklaren Rolle des anorganischen Kohlenstoffs in Salzmarschen in Frage und deuten darauf hin, dass die Auflösung von Karbonatmineralen wahrscheinlich der vorherrschende biogeochemische Stoffwechselweg in der, an organischer Substanz verarmten, minerogenen Salzmarsch ist. Künftige Studien sollten daher untersuchen, wie sich Stressfaktoren des Klimawandels auf die Biota der Salzmarschen in Bezug auf Bildung von Alkalinität auswirken. Gleichermaßen sollte die Rolle von Pflanzen hinsichtlich der Dynamik von anorganischem Kohlenstoff in Renaturierungsstrategien einbezogen werden. Darüber hinaus können Untersuchungen der intra- und interspezifischen Variation zwischen Pflanzen und ihren Rhizosphären unterschiedliche Auswirkungen auf die Erhöhung der Alkalinität und die Pufferkapazität der exportierten Wassers aufzeigen. Weitere Forschungsarbeiten sind für die Entwicklung eines wirksameren Renaturierungsmanagements und zur Erarbeitung von Strategien zur Eindämmung des Klimawandels von essentieller Bedeutung.