Adsorption of dissolved organic carbon (DOC) by a poorly podzolized high latitude soil

• Main Author: Johnsen, Line Kristin
• Format: Master Thesis
• Language: English
• Published: Norwegian University of Life Sciences, Ås 2012
• Subjects: soil chemistry; DOC; northern territory; surface water; climate change; nordlige områder; klimaendringer; overflatevann; jord; kjemi; Finnmark; VDP::Mathematics and natural science: 400::Chemistry: 440::Environmental chemistry; natural environmental chemistry: 446; Norway; Føre; Langmuir; Jorda; Neiden; Nord-Norge
• Online Access: http://hdl.handle.net/11250/189454

Increasing DOC concentrations have been observed in many areas in the Northern Hemisphere, where a warmer and wetter climate is most likely among the causes. Increasing DOC concentrations in ground- and surface waters are of concern due to deterioration of water quality and water habitats. Aluminium (Al) and iron (Fe) sesquioxides in soils has been regarded as important DOC adsorbents. Such compounds can be precipitated in the soil B-horizon by the podsolization process. Podzols are one of the most common soil types in well drained mineral soils of the Northern Hemisphere. As the most pronounced climate changes are predicted to occur in northern regions, the focus of our study was on a poorly podzolized soil in Neiden, Finnmark County, Norway. The objectives of this study were to determine the DOC adsorption in the B-horizon of this soil, compare it with soils that are more podzolized and determine the soil properties controlling the DOC adsorption. The hypothesis of the present study is that the poorly podzolized soil has a lower DOC adsorption capacity than more podzolized soils due to a low content of Al and Fe sesquioxides. The net DOC adsorption was determined by adding six different DOC concentrations (0-129 mg C L-1) to ten field replicates of the poorly podzolized soil. The same procedure was performed on two soil samples from podzolized soils with contrasting content of sesquioxides, one with a high content of Al and one with a high content of Fe. Three isotherm approaches were tested; two versions of the modified Langmuir isotherm and the Initial Mass isotherm. A Mid-infrared reflectance (MIR) spectroscopy analysis was performed to obtain information about the hydrophobicity of the functional groups in the O- and B-horizon. The MIR analysis suggested an enrichment of hydrophobic organic functional groups in the B-horizon in comparison to the O-horizons. The variation in both soil properties and DOC adsorption between field replicates for the poorly podzolized soil was high. At the highest DOC concentration, the net DOC adsorption for the poorly podzolized soil ranged from 5 to 47%, with an average of 19%. The partition coefficient, which is a measure of the reactive DOC fraction adsorbed by the soil in the linear concentration range (0-67 mg C L-1), ranged from 0.29 to 0.63 with an average of 0.41. The DOC adsorption for this soil was within the range reported by previous studies focusing on podzol soils, and it could therefore not be concluded that this poorly podzolized soil has a lower DOC adsorption capacity than more podzolized soils. A stepwise multiple regression analysis revealed that clay content, in addition to amorphous Al and Fe content (oxalate soluble) were the best predictors of the DOC adsorption capacity of the poorly podzolized soil. The DOC adsorption seemed to be limited by occupied adsorption sites, as a high release of initial adsorbed DOC seemed to result in a lower adsorption capacity. Økende DOC konsentrasjoner har blitt observert for mange områder på den nordlige halvkule, hvor klimaendringer hvor varmere og våtere klima er mest sannsynlig en av grunnene. Økende DOC konsentrasjoner i grunn- og overflatevann er av bekymring grunnet forringelse av vannkvalitet og vannhabitater. Aluminium (Al)- og jernseskvioksider (Fe) i jord har blitt ansett som viktige DOC adsorbenter. Disse kan felles ut i jordsmonnets B-sjikt i podsoleringsprosessen. Podsol er en av de vanligste jordtypene i veldrenerte mineraljordsmonn i på den nordlige halvkule. Siden de største klimaendringene er forventet å inntreffe i nordlige områder, var vårt fokus på en svakt podsolert jord lokalisert i Neiden, som ligger i Finnmark i Nord Norge. Målene med studiet var å bestemme DOC adsorpsjonen til et B-sjiktet for denne jorda, sammenlikne denne med mer podsolerte jordsmonn og bestemme hvilke jordegenskaper som bestemmer DOC adsorpsjonen. Hypotesen i dette studiet er at den svakt podsolerte jorda har en lavere DOC adsorpsjons kapasitet enn mer podsolerte jordsmonn grunnet et lavere innhold av jern og aluminium seskvioksider. Netto DOC adsorpsjon ble bestemt ved å tilsette seks ulike DOC konsentrasjoner (0-129 mg C L-1) til jord fra B-sjiktet for ti feltreplikater av den svakt podsolerte jorda. Den samme prosedyren ble utført på to jordprøver fra mer podsolert jord med ulikt innhold av seskvioksider, ett med et høyt innhold av Al og ett med et høyt innhold av Fe. Tre ulike isotermer ble prøvd ut; to utgaver av en modifisert Langmuir isoterm og Initial Mass isoterm. En Mid-infrared reflectance (MIR) spektroskopi analyse var utført for å få informasjon om graden av hydrofobisitet til de funksjonelle gruppene i O- og B- sjiktet. MIR analysen foreslo at det er anrikning av hydrofobe funksjonelle grupper i B-sjiktet, sammenliknet med O-sjiktet. Variasjonen i både jordegenskaper og DOC adsorpsjon mellom feltreplikatene var stor. Ved den høyeste DOC konsentrasjonen, hadde den svakt podsolerte jorda en netto DOC adsorpsjon fra 5 til 47 %, med et gjennomsnitt på 19 %. Fordelingskoeffisienten (m), som er et mål på fraksjonen DOC som er adsorbert i det lineære konsentrasjonsområdet (0-67 mg C L-1), var fra 0,29 til 0,63, med et gjennomsnitt på 0,41. DOC adsorpsjonen var innenfor adsorpsjonsområdet rapportert i tidligere studier for mer podsolerte jordsmonn, og det kunne dermed ikke konkluderes at denne jorda har en lavere DOC adsorpsjon kapasitet enn mer podsolerte B-sjikt. En trinnvis multippel regresjonsanalyse viste at leirinnhold, og i tillegg innhold av amorft Al og Fe (oksalatløselig) var de beste prediktorene for DOC adsorpsjonen til det svakt podsolerte B-sjiktet. Det virket sannsynlig at DOC adsorpsjonen ble begrenset av antall bindingsplasser, ettersom en høy desorpsjon av allerede adsorbert DOC så ut til a føre til en lavere DOC adsorpsjon.