Relevante Stickstoffmengen aus dem Gestein?

[Eberhard]

Ich verweise auf einen Beitrag aus einem anderem Forum:
Relevante Stickstoffmengen aus dem Gestein?

Demnach enthält Sedimentgestein, das einen Großteil der Erde bedeckt, pro Kilogramm etwa 500 bis 600 Milligramm Stickstoff

Überschlagsrechnung:
1 ha x 30 cm Tiefe ==> 3.000 m³
3.000 m³ x 1,3 t/m³ ==> 3.900 t
3.900 t x 0,0005 ==> 1,95 t

Die Mineralien selber im Boden bieten danach ein Potential von 1.950 kg Stickstoff pro Hektar bei einer betrachteten Bodentiefe von 30 cm.

[Tscharlie]

Ist aber doch für nichts eine Lösung, denn auch dieser Vorrat ist irgendwann erschöpft.

Nachhaltigkeit heißt aber doch, alles was gebraucht wird muss "gleichzeitig" wieder "entstehen".

Hier hat gerade die Sahara neue Spurenelemente großzügig und großflächig verteilt. Wahrscheinlich fehlt das dann aber dort wieder.

[emil17]

Die Frage ist, was relevant ist.

Ob das für die Vegetation relevant ist, kann eine Rechnung zeigen.
Abtragungsrate: minimal in der Schweiz 14mm in 1000 Jahren = 0.014 mm pro Jahr = 0.14 Kubikmeter pro ha und Jahr (Quelle: Institut für Geologie der Uni Bern
Ich erinnere mich aus einer Vorlesung, dass im Jura der Abtrag durch chemische Verwitterung an der Oberfläche von blankem Kalkstein etwa 7 mm pro 1000 Jahre betrug, also etwa die Hälfte. Bestimmt wurde das an Findlingen auf Kalkstein liegend - der Block schützt den Kalk darunter vor Auflösung, so dass sich im Laufe der Jahrtausende ein Sockel bildet. Kennt man das Alter, wo der Stein deponiert wurde, kann man also die durchschnittliche Verwitterungsrate der Oberfläche bestimmen. Im Karst unter Vegetation ist die chemische Verwitterung stärker, weil das Sickerwasser sich mit CO2 aus dem Boden sättigt und dann das Gestein auflöst. Dies findet zum grossen Teil im Berginneren als Höhlenbildung statt und die so frei werdenden Gesteinsbestandteile gelangen nicht in die Böden.
Höhere bis sehr viel höhere Abtragungsraten kommen vor, aber das Gestein wird dort zerkleinert als Geschiebe weggeführt und nicht chemisch zersetzt, so dass die darin enthaltenen Elemente nichts zur Bodenbildung beitragen.
Überschlagsrechnungen aus der Menge des im Wasser gelösten Kalkes von Flüssen, dem Einzugsgebiet und der jährlichen Wassermenge führen zu ähnlichen Werten.
Da, wo die Niederschläge sehr viel grösser sind als die Verdunstung, bilden sich auch im Gebirge Böden mit Auswaschungshorizonten (Podsole) und neue mineralische Nährstoffe werden den Pflanzen hauptsächlich aus der Streu oder dann durch Staub aus der Luft zugeführt, weil der Wurzelhorizont nicht bis ins Gestein hinab reicht.

Bei einem Stickstoffgehalt im Gestein von 500 mg pro Kilo und bei vollständigem Übergang der aufgelösten Substanz in den Boden und einer Verwitterung von 0.14 Kubikmeter Gestein pro Hektar und Jahr beträgt die natürliche Stickstoffnachlieferung aus dem Gestein bei einer Dichte von 2600kg/m3 etwa 182 Gramm pro ha und Jahr. Damit ist klar, dass diese Stickstoffquelle gegenüber der Nachlieferung aus der Luft durch stickstofffixierende Mikroben oder durch ausgewaschene Stickoxide aus der Luft im Niederschlagswasser (insgesamt mehrere 10 Kilogramm pro ha und Jahr) mengenmässig unbedeutend sein wird.
Für Spurenelemente, die in geringer Menge erforderlich sind und lange im Ökosystem bleiben, wie Mangan, Kupfer, Zink usw. sieht die Geschichte anders aus.

Rechnet man nur mit den publizierten Zahlen, kommt man bei einer Festlandfläche von 120 Mio. km2 (ohne Eisschilde) und 25 Mio. t N pro Jahr auf eine Nachlieferung aus Gesteinsverwitterung auf 2.1 kg N pro Jahr und ha, wenn man grob mittelt. Das wäre eine jährliche Verwitterung von 4200 kg Gestein pro ha, was etwa 1.6 Kubikmeter sind. Das ist etwa das 10 fache Verwitterungsrate verglichen mit oben. Ich weiss nicht ob so viel in den Tropen möglich ist, aber selbst dann überwiegt die natürliche Nachlieferung von Stickstoff aus der Luft hierzulande um das rund 20-fache.

[emil17]

Überschlagsrechnung:
1 ha x 30 cm Tiefe ==> 3.000 m³
3.000 m³ x 1,3 t/m³ ==> 3.900 t
3.900 t x 0,0005 ==> 1,95 t

Hat sich hier nicht ein Fehler eingeschlichen? Die 1.3 t/m3 sind ein typischer Wert für die Rohdichte eines nicht allzu schweren Ackerbodens.
Falls du die obersten 30cm Boden als Berechnungsgrundlage hernimmst, müsstest du noch dessen Skelettgehalt (meist in Volumenprozent Sand und Steine) kennen, denn es geht ja um den Stickstoff im Gestein.
Sedimentgesteine haben typische Dichten von 2.6t/m3, d.h. in den obersten 30 cm Gestein unter einem Boden wären bei 500mg/kg etwa 3.9 t/ha Stickstoff als Potential enthalten, der durch Verwitterung frei werden kann.
Die grosse Unbekannte ist hier, wenn die Stickstoffnachlieferung durch Verwitterung von Interesse ist, neben dem exakten Gehalt des Gesteins die Verwitterungsgeschwindigkeit.

[Rohana]

Ich hab mir mal die Studie (https://www.science.org/doi/10.1126/science.aan4399) ein bisschen zu Gemüte geführt die in dem Spiegel-Artikel (https://www.spiegel.de/wissenschaft/nat ... 01888.html) verlinkt wird. Das Ganze ist schon sehr spannend und ich hätte mich irgendwie gewundert wenn N nun auf einmal (signifikanter) Bestandteil von Gestein wäre, was es eigentlich nicht ist - und auch weiterhin nicht, denn dieses N aus dem Sedimentgestein ist ähnlich dort hin gelangt wie Erdöl: Über die N-Fixierung von Organismen deren Reste im Sediment erhalten blieben ("largely as a product of N fixation by aquatic and terrestrial organisms that becomes trapped in sedimentary basins;"), zumindest wenn ich das so richtig verstanden habe.

Our results show that rock N inputs may be particularly important in montane ecosystems where denudation rates are rapid (Fig. 2C) and high-latitude ecosystems where high biological N fixation rates are temperature-limited (39). Spatially, our analysis suggests that rock N inputs can account for a substantial fraction of modern N inputs (including anthropogenic N deposition) to temperate and montane grasslands (8 to 32%), temperate and boreal forests (9 to 38%), tundra (23 to 51%), deserts (11 to 23%), and Mediterranean shrub- and woodlands (9 to 22%) (Table 2 and table S6). In contrast, rock N inputs constitute a substantially smaller fraction of N inputs to tropical grasslands (2 to 8%) and tropical forests (4 to 12%), where weathering is supply-limited and N fixation rates are naturally high.

Jaaa. Und wo würde man dort bewirtschaftetes, sprich Ackerland in gemässigten Zonen einordnen?

[emil17]

The model’s reliance on soil-based chemical depletion rates is limited in low-relief landscapes

[aus dem paper] Das ist insofern eine Teilantwort auf die Frage, als darunter vermutlich die meisten Ackerflächen fallen dürften.

Eine weitere offene Frage, die nur summarisch angesprochen wird: Welcher Anteil des N, das aus der Verwitterung von Gestein frei wird, steht tatsächlich der Vegetation zur Verfügung, wird also nicht mit dem Abfluss oder Sickerwasser weggeführt oder erst dort überhaupt freigesetzt? Denn da wo viel Gestein verschwindet, wird eben auch viel mechanisch entfernt.
Auf tiefgründig verwitterten Böden wiederum ist es schwierig, die Verwitterungsrate des Gesteins überhaupt zu messen, weil das tief in der Erde stattfindet, räumlich stark variabel ist und die Vorräte an verwittertem, halb verwittertem und zerbröseltem, aber noch erhaltenem Gestein sowie Boden gegenüber dem, was in einem Jahr verschwindet, ebenfalls riesig sind.
Grundsätzlich sind solche Rechnungen immer problematisch, wenn die Vorräte gegenüber dem Umsatz gross und variabel sind, und wenn andere Quellen wie im Falle von Stickstoff die biologische Fixierung aus der Luft ebenfalls variabel und quantitativ wesentlich sind.
Typisch ist an dieser Arbeit die Methodik. Monte-Carlo-Simulationen, machine learning und GIS-Anwendungen sind mit hohem Rechenaufwand verbunden und heute state of the art. Man nimmt im Prinzip immer eine andere zufällige Stichprobe der gleichen Datenmenge und sagt damit etwas voraus, und mittelt dann die Ergebnisse für die Schlussfolgerung, oder testet mit den verbleibenden Daten die Vorhersage basierend auf der Teilmenge. So entstehen auch die modernen Wettervorhersagen.

Wie gut die Daten für Stickstoffgehalte der oberflächennahen Gesteine sowie die Verwitterungsraten sind, ist eine andere Frage. In grossen Gebieten von Afrika, der kanadischen Arktis und Sibirien ist man ja schon froh, wenn es irgendwo in der Nähe (100 Kilometer oder so) eine Wetterstation hat. Die hohe räumliche Auflösung der GIS-Daten sollte darüber nicht hinwegtäuschen. Fast alles, was sich mit Satelliten messen lässt, kann man heute in räumlicher Auflösung von hundert Meter oder besser runterladen. Vor 25 Jahren, als ich mich an der Uni damit zu beschäftigen angefangen habe, hätten mir nur schon diese Daten in heute sehr grober Auflösung von 1/60 Grad Länge und Breite den Rechner gesprengt. Und dann werden für jeden Rasterpunkt zehntausende solcher Simulationen gerechnet.

We parameterized the CDF model by using 41 separate observations of soil Na+ depletion rates collected from the primary literature (aus dem paper)

Also nur 41 Werte insgesamt für diesen Teil der Modellierung, nämlich die Verwitterungsraten! Das ist kein Vorwurf an die Autoren, aber man sieht wo das Problem ist.

[Tscharlie]

Wenn man mi offenen Augen im Gebirge an der Vegitationsgrenze unterwegs ist, fällt auf.

Dort wo Kalkstein ist, da hat es die Natur schwer fruchtbaren Boden zu schaffen, auch in den Bächen der Kalkalpen ist nicht viel los, denn der Boden wird ständig abtansportiert und alles was darauf wachsen will wird mitgerissen.

Anders in den Bereichen der Alpen wo Granit der Untergrud ist, da der viel weniger schnell verwittert und zerkleinert wird ist eine Besiedelung besser möglich.

Und ich denke: Eigentlich müßte as Kalkgestein, da aus orgnischen Material "gewonnen", "nahrhafter" sein müßte als der Granit.

Anderseits ist vulkanisches Gestein auch fruchtbar, dann sollte das auch für Granit gelten.

[emil17]

Der Zusammenhang zwischen Boden, Releif, Gestein und Klima ist kompliziert. Es lassen sich deshab nur generelle Aussagen machen.

Eigentlich müßte as Kalkgestein, da aus orgnischen Material "gewonnen", "nahrhafter" sein müßte als der Granit.

Das mit dem Kalk hat folgenden Grund:
Reiner Kalk ist chemisch reines Kallziumkarbonat und löst sich im durch CO2 angesäuerten Regenwassser vollständig auf, weshalb diese Gesteine verkarsten und arm an Oberflächengewässern sind, weil alles versickert. Die Bodenbildung ist gehemmt, weil es kaum Tonminerale gibt. Es fehlt auch Sand und anderes mineralischem Feinmaterial - Kalk löst sich im Regenwasser einfach auf. Zudem kommt es wegen des sehr harten Gesteins zu schroffen Formen. Das ist z.B. bei den nördlichen Kalkalpen oder auch im Friaul sehr auffällig. Dort hat man oft oberhalb der Waldgrenze nur noch kahle Berge. Von der Nähe betrachtet hat es aber in den Gesteinsspalten meist eine sehr artenreiche Vegetation. Da, wo es weniger steil ist und sich etwas mehr Feinmaterial ansammeln konnte (das zum Teil auch durch Gletscher von weiter weg gebracht wurde, oder was durch Verwitterung von etwas weniger reinem Kalk entstanden ist), hat es aber gute Böden, was man von weitem an den Wiesen sehen kann. Die typischen Böden sind Humuskarbonatböden - eine schwarze Feinerde auf reinem Kalkstein, Verwitterungsschichten fehlen.

Granite und noch mehr Quarzite sind auch sehr hart und verwitterungsbeständig, jedoch chemisch vielfältiger. Die Feldspäte darin bilden durch Verwitterung Tonminerale, und das Gestein ist nicht wasserlöslich, das Gebirge deshalb jedoch reich an Oberflächengewässern und somit erosionsanfälliger. Aus Graniten werden je nach Klima weniger schlechte Böden als auf Kalkgestein, die aber zur Versauerung neigen und stark ausgewaschen werden. In Geländemulden reichert sich aber fast stets Feinmaterial an, so dass dort sofort bessere Böden vorhanden sind.

Die besten Böden gibt es dort, wo Mischgestein vorliegt, Gegenden mit Tonschiefer oder Mischgestein bilden Berge mit sanften Formen und besseren Böden. Sie tragen deshalb auch die schöneren Almen und Heuwiesen. Man vergleiche z.B. den (das?) Karwendel nördlich von Innsbruck mit der Gegend von Kitzbühel mit Schiefergesteinen und guten Heubergen und dann, weiter südlich, dem Alpenhauptkamm, der aus Gneis und Granit besteht. In der Schweiz gibt es eine ähnliche Abfolge.

Es kommt aber im einzelnen sehr auf die genaue Art des Gesteins und natürlich auf das Klima an. Das Relief hat grossen Einfluss auf die Bodenbildung, weil durch die starke Erosion im steilen Gelände nur dünne Bodenschichten vorhanden sind. Die besten Böden sind Grundmoränen ehemaliger Gletscher.
Junge Vulkanböden sind oft sehr mineralstoffreich, weil das Ausgangsgestein sehr viele Mineralien enthält, die vulkanische Asche wie Gesteinsmehldünger wirkt und noch nicht alles ausgewaschen wurde. Diese Böden sind aber in Europa selten.

In der Schweiz wurde z.B. der Nationalpark im Unterengadin südlich vom Inn angelegt, weil es dort wegen dem Gestein nur schlechte Alpen gibt und die Bauern damals das bessere Land nördlich nicht hergeben wollten.
Was man auch nicht vergessen sollte: Die Alpen waren bis Anfangs 20. Jahrhundert überbevölkert. Jedes mögliche Stück Land wurde bewirtschaftet und die Viehhaltung hat oft lokal zu besseren Böden geführt, auf Kosten der Ausmagerung von Wäldern durch Waldweide und Streusammeln sowie der Übernutzung von Weiden weiter weg. Viel Boden ist auch durch Abholzung und nachfolgende Erosion verloren gegangen. Diese Schäden sind vielenorts noch nicht verheilt.

Es gibt Gründe zur Annahme, dass viele dennoch einigermassen gute Böden auf schlechtem Ausgangsgestein ihre Existenz wesentlich dem Eintrag von Saharastaub über Jahrtausende verdanken. Weil vor menschlicher Nutzung nichts entnommen wurde, kam trotz geringer Einträge über die Zeit dennoch einiges zusammen.

[Tscharlie]

Ich bin faziniert von Flechten. Da sie auch weit oberhalb der "Vegetationsgrenze" erste "Siedler" sind, die den Boden für Nachfolger vorbereiten

[emil17]

Da habe ich etwas für Dich ... Gruss aus dem Hobbit-Wald

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