Magnesium stable isotopes as a proxy for biogeochemical processes in terrestrial environment

Wang, Yi; Schäffer, Andreas; Klumpp, Erwin

doi:38827

Magnesium stable isotopes as a proxy for biogeochemical processes in terrestrial environment = Magnesiumstabile Isotope als Proxy für biogeochemische Prozesse in terrestrischer Umgebung

Wang, Yi^RWTH*

2019 & 2020

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Yi Wang Master - Environmental Engineering

ImpressumAachen 2019

Umfang1 Online-Ressource (IV, 115 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2020

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Klumpp, Erwin (Thesis advisor)^RWTH* ; Schäffer, Andreas (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-11-12

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-11825
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/774869/files/774869.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Biogeochemie (frei) ; stabile Isotope (frei) ; Umweltwissenschaft (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Magnesium (Mg) ist das vierthäufigste Element der Erde und spielt eine wichtige Rolle bei biologischen Aktivitäten. Einige am Mg-Zyklus beteiligte Prozesse können Mg stabile Isotope fraktionieren, was die Mg Isotopensystematik zu einem neuen und vielversprechenden Proxy in der Biogeochemie macht. Um unser Verständnis der Mg-Isotopenfraktionierung in verschiedenen Ökosystemen zu verbessern, umfassen die in dieser Doktorarbeit durchgeführten Studien: i) Mg-Isotopenfraktionierung von Pflanzen unter Mg-Mangel, ii) Mg-Isotopenfraktionierung in landwirtschaftlichen Systemen, die von langfristigen anthropogenen Bodenpraktiken beeinflusst werden, und iii) Soil Mg-Isotopensignaturen in der Atacama-Wüste als extreme Umgebung von Hyperaridität. Magnesiummangel behindert das Pflanzenwachstum. Ein integrativer Tracer, der Pflanzenreaktionen auf Mg-Mangel aufzeigt, fehlt jedoch noch. Hier wurden Mg-Isotope als Indikator mit der Hypothese verwendet, dass Mg-Mangel eine erhöhte Mg-Isotopenfraktionierung in den Pflanzen während der Aufnahme und nachfolgender Translokationsprozesse fördern könnte. Um diese Hypothese zu testen, Weizenpflanzen (Triticum aestivum) wurden in einem Treibhaus angebaut unter Mg-genügenden und mangelhaften Bedingungen, und Mg-Konzentrationen sowie deren δ26Mg Isotopenzusammensetzungen in Wurzeln, Stängeln, Blättern und Ähren in verschiedenen Wachstumsphasen wurden analysiert. Die Ergebnisse bestätigten die Resultate früherer Studien, dass Pflanzen im Verhältnis zur Nährlösung systematisch mit schweren Isotopen angereichert wurden. Diese Anreicherung war jedoch bei niedrigem Mg-Angebot stärker ausgeprägt, was auf den erhöhten Beitrag des aktiven Transportsystems für Mg zurückzuführen ist. Mit dem Pflanzenwachstum verlagerte sich die δ26Mg der Triebe in Richtung höherer Werte unter der Kontrolle, aber nicht unter niedriger Mg-Versorgung, was auf eine reduzierte Wurzelschussaufwärts-Translokation unter niedriger Mg-Versorgung hinweist. Im Reproduktionszustand wurde das leichte Mg in den Stielen neu verteilt. Insgesamt kann die anfängliche Mg-Versorgung die Mg-Isotopenfraktionierung in Pflanzen beeinflussen und die Beurteilung der Mg-Isotopenzusammensetzung von Pflanzenorganen ist ein nützlicher Indikator für unterschiedliche Reaktionen der Pflanze auf die Mg-Versorgung aus der externen Umgebung. Kalkung ist in West- und Mitteleuropa weit verbreitet, um den Säuregehalt des Bodens zu verringern. Seine Rolle beim Kreislauf von Mg in Ackerbausystemen ist jedoch noch nicht vollständig geklärt. Im zweiten Teil der Arbeit Mg-Konzentrationen und natürliche Isotopenzusammensetzungen mit Bodenprofilen und deren Vegetation (Winterroggen) aus einem landwirtschaftlichen Versuchsfeld für Langzeitstudien mit und ohne Äscherpraxis wurden systematisch analysiert. Die δ26Mg-Signaturen des Bulk-Mg-Pools im Boden im untersuchten Albic-Luvisol zeigten eine begrenzte Variation mit der Tiefe und zwischen den Versuchen. Im Gegensatz dazu zeigte der bodenaustauschbare Mg Pool einen scheinbaren Anstieg der δ26Mg-Werte entlang des Profils bis in eine Tiefe von 50 cm, insbesondere im gekalkten Feld mit einer stärkeren negativen Verschiebung von δ26Mg als im ungekalktem Feld. Die beobachtete Anreicherung von leichten Mg-Isotopen in den oberen Schichten resultierte hauptsächlich aus der Kalkablagerung und der Pflanzenaufnahme. Ein Isotopenmischmodell wurde verwendet, um den jeweiligen Beitrag von Kalkanwendung und Pflanzenaufnahme zu den Mg-Isotopenzusammensetzungen im austauschbaren Mg-Pool zu bewerten. Die Ergebnisse zeigten, dass die jahrzehntelange Äscherpraxis vermutlich die Mg-Aufnahme durch die Vegetation beim Vergleich von kalkhaltigen und ungeklärten Feldern erhöht hat. Es wurden jedoch keine nachgewiesenen Effekte der Äsche auf die Isotopenzusammensetzung des Pflanzen-Mg beobachtet. Winterroggen, der sowohl auf kalkhaltigen als auch auf nicht kalkhaltigen Feldern angebaut wurden, zeigten identische Mg-Isotopenzusammensetzungen in den Wurzeln und Ähren, die am meisten mit isotopisch schwerem Mg angereichert waren. Die Silikatverwitterung hat sich als Grund für die Fraktionierung von Mg-Isotopen in der Natur erwiesen. Wie Mg-Isotope unter extremen klimatischen Bedingungen fraktioniert werden ist unklar. Im dritten Teil dieser Arbeit wurden Mg-Isotopenzusammensetzungen von Oberflächenbodenschichten mit Höhengradienten (von 1300 bis 2700 m ü.d.M.) im Aroma-Transekt der Atacama Wüste analysiert. Es wird angenommen, dass das Mg in der oberen Bodenschicht im Aromatransekt aus der Mischabscheidung sowohl von ozeanischen Aerosolen als auch von den Andeneinträgen stammt. Mit abnehmender Höhe wurden die Böden Mg isotopisch leichter. Die Anreicherung von 26Mg am Standort Ar2000 und Ar1300 deutete auf einen weiteren Mg-Eingangs- oder Verlustprozess hin. Die δ26Mg-Werte in den tieferen Bodenschichten vom Aroma-Transekt als auch von Yungay als Vergleichstandort waren positiv auf den Verwitterungsgrad bezogen. Es wird davon ausgegangen, dass die klimatische Trockenheit die Mg-Isotopensignaturen verändert, indem sie den Verwitterungsgrad beeinflusst. Die vorliegende Studie berichtete zum ersten Mal über die Zusammensetzung der Boden-Mg-Isotope in einer solchen hyperariden Umgebung und schlug eine mögliche Verwendung von Mg-Isotopen zur Rekonstruktion der paläoklimatischen Veränderungen vor. Abschließend lieferten die Studien in dieser Doktorarbeit neue und umfassende Einblicke in die Signaturen und Fraktionierungen von Mg-Isotopen in biogeochemischen Prozessen in der terrestrischen Umwelt.

Magnesium (Mg) is the fourth most abundant element in the Earth and plays a significant role in biological activities. Processes involved in Mg cycle can fractionate Mg stable isotopes, which makes Mg isotope systematics as a novel and promising proxy in biogeochemistry. To improve our understanding of Mg isotope fractionations in different ecosystems, studies performed in this doctoral work include: i) Mg isotope fractionation of plants under Mg deficient environment, ii) Mg isotope fractionation in agricultural system impacted by long-term anthropogenic soil practices, and iii) Soil Mg isotope signatures in the Atacama Desert as extreme environment of hyper-aridity. Magnesium deficiency is detrimental to plant growth. However, an integrative tracer revealing plant responses to Mg deficiency is still lack. Here, Mg isotopes were used as an indicator with the hypothesis that Mg deficiency could promote increased Mg isotope fractionation in plants during uptake and subsequent translocation processes. To test this hypothesis, wheat plants (Triticum aestivum) were grown in a greenhouse under Mg-sufficient and deficient conditions, and Mg concentrations as well as their δ26Mg isotope compositions in roots, stems, leaves and spikes at different growth stages were analyzed. The results confirmed previous studies that plants were systematically enriched in heavy isotopes relative to the nutrient solution. This enrichment, however, was more pronounced under low-Mg supply, which was attributed to the increased contribution from active transport system for Mg. With crop growth, the δ26Mg of shoots shifted towards higher values under control but not under low-Mg supply, reflecting a reduced root-shoot upward translocation under low-Mg supply. At reproduction state, light Mg was redistributed into the stems. Overall, initial Mg supply can impact Mg isotope fractionation in plants and assessing the Mg isotope compositions of plant organs provides a useful indicator for different plant responses to Mg supply from external environment. Liming is widely used to alleviate soil acidity in western and central Europe. However, its role on the cycling of Mg in arable soil-plant systems is still not fully clarified. In the second part of work, Mg concentrations and natural isotope compositions with soil profiles and its vegetation (winter rye) from a long-term agricultural experimental field with and without liming practice were systematically analyzed. The results showed that the δ26Mg signatures of the bulk Mg pool in soil in the studied Albic Luvisol displayed limited variation with depth and between trials. In contrast, the exchangeable Mg pool in soil exhibited an apparent increase of δ26Mg values along profile down to 50 cm depth, especially in limed field with more negative shift of δ26Mg than non-limed field. The observed enrichment of light Mg isotopes in upper layers mainly resulted from the lime deposition and plant uptake. An isotope-mixing model was used to assess the respective contribution from lime application and plant uptake to the Mg isotope compositions in the exchangeable Mg pool in soil. The results indicated that decades of liming practice presumably enhanced Mg uptake by vegetation when comparing limed and non-limed fields. However, no evidenced effects of liming on the isotope compositions of plant Mg were observed. Winter ryes grown on both limed and non-limed fields displayed identical Mg isotope compositions with roots and spikes enriched isotopically heavy Mg most. Silicate weathering is confirmed to fractionate Mg isotopes in nature. However, how Mg isotopes are fractionated under extreme climate is still not reported. In the third part of this work, Mg isotope compositions of surface soil layer with altitudinal gradient (from 1300 to 2700 m a.s.l.) in the Aroma transect of the Atacama Desert were analyzed. The surface soil Mg in the Aroma transects is considered to stem from the mixing deposition of both oceanic aerosols and the Andeans inputs. With elevation decreased, soils Mg became isotopically lighter. Enrichment of 26Mg at the site 2000 and 1300m a.s.l indicated another Mg input or loss process. The δ26Mg values in the pit soils from both the Aroma transect and well-known Yungay site were positively related to the weathering degree. Climatic aridity is assumed to change the Mg isotope signatures by influencing weathering degree. The present study for the first time reported soil Mg isotope composition in such hyper-arid environment and suggested a potential use of Mg isotopes to reconstruct the paleoclimatic changes. To conclude, studies in this doctoral work provided novel and comprehensive insights into Mg isotope signatures and fractionations in biogeochemistry, and improved the knowledge of Mg stable isotopes as a proxy for biogeochemical processes in terrestrial environment.

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