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The geochemical fingerprints, the anthropogenic impacts and the plant essential nutrient contents of the laurel forest in Tenerife (Canary Islands, Spain).

Heidak, Markus Oliver

German Title: Die geochemischen Fingerabdrücke, die anthropogenen Einträge und die Nährstoffgehalte des Lorbeerwalds in Teneriffa (Kanarische Inseln, Spanien)

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Abstract

The laurel forest ecosystem is a good example for an endangered and critical environment due to its interface position in which various geochemical processes collide and interact with regional and global impacts. For example, different volcanic rocks, geogenic aerosols (e.g. Saharan dust, sea spray), anthropogenically released emissions (e.g. air and car traffic, industrial and urban developments etc.) and socioeconomic changes (e.g. expansion of cropland and fallow agricultural areas) affect and interact with the pedological laurel forest interface and with the surrounding ecosystem.

The determination, interpretation and discussion of several geochemical processes and geogenic or anthropogenic impacts build the main content and scope of this research work. To achieve this goal, different kinds of samples are collected at 26 sampling sites on the northern slope of Tenerife, including volcanic rocks, soils, roots and leaves. The vegetation samples belong to the laurel forest tree species Laurus novocanariensis. The sampling sites spread over the main laurel forest areas (Anaga Massif, Orotava area, Teno Massif); remote forest areas, touristically influenced areas as well as former farmland near the border of laurel forest vegetation zone were given special attention. The geochemical composition determined for each sample consists of 22 elements (Si, Al, Fe, Ca, Na, Mg, K, Ti, P, Mn, Sr, Stot, Ctot, Zr, Ni, Zn, Cu, Pb, Mo, Sb, Cd, Hg).

The first goal of research gravitates around the question whether it is possible to distinguish the Anaga, Orotava and Teno laurel forest topsoils from each other as to specific element ratios, which can be considered as typical geochemical fingerprints. The results reveal, that the Orotava topsoils are distinguishable from the Anaga and Teno topsoils due to plotted Sr/Ca, Na/Ca and Na/K ratios and due to calculated element-to-element ratios (e.g. Sr-to-Ca, Na-to-K). The Orotava rocks affected even the uppermost soil horizons and it is clearly recognizable that the rocks and soils affect also the associated leaf samples. Orotava leaves, for example, contain the highest Sr levels of all samples (up to 148.4 ± 8.7 µg/g), but the Sr leaf contents depend not only on high Sr soil levels (up to 788.0 ± 46.0 µg/g), but on specific Sr/Ca soil ratios. Several other element combinations can almost be used as typical geochemical fingerprints, such as Mg/Ni, Fe/Ti or Mg/Cu ratios. However, various topsoil samples have a similar plotted or calculated element ratio, which makes it impossible to determine unique Anaga or Teno fingerprints. However, Anaga, Orotava and Teno topsoils are distinguishable from each other due to specific Na-to-P ratios. Anaga Na-to-P ratios, for example, range from 1:1 to 1:4.1, Orotava ratios from 3.8:1 to 5.9:1 and Teno ratios from 1.2:1 to 2.7:1.

The second research goal consists in answering the question whether the laurel forest ecosystem is affected by anthropogenic Hg, Pb, Cd and Sb impacts, focussing on the topsoils and the L. novocanariensis tree species. In this context it is necessary to differentiate between anthropogenically and lithogenically affected element contents. The results reveal that the slightly enriched Pb and Hg topsoil levels are caused by natural geochemical processes. Linear trends indicate that Hg and Pb are associated with other elements, such as Ca, Fe, Ti, Mn, Al and Zn. The Cd and Sb levels are present in normal amounts, but it is not possible to determine whether natural geochemical processes or anthropogenic impacts caused the observed trends and area-specific differences. The most popular touristic area of the Anaga Mountains (Pico del Ingles) nevertheless contains always the highest Sb, Cd, and Pb topsoil (e.g. up to 58.3 ± 4.2 µg/g of Pb) and leaf values (e.g. up to 0.70 ± 0.03 µg/g of Sb).

The third research goal focuses on the essential nutrient contents of the laurel forest and the fallow agricultural areas. The soil and vegetation results of both areas are compared with each other and with reported nutrient levels in order to find out whether the laurel forest and the fallow agricultural areas contain sufficient nutrient levels. The results reveal that the sampling sites contain sufficient amounts of K, P, Ca, Mg, Stot, Fe, Mn, Zn, Cu, Mo and Ni within their leaves and soils. Only the K soil levels are sometimes slightly below the reported nutrient ranges. The fallow agricultural nutrient levels are mostly within the range of the laurel forest levels and they are more or less homogenously distributed within the fallow agricultural topsoils. This is one of the main differences compared to the laurel forest areas. Soil fertilizer residues are not determined in the examined fallow agricultural topsoils.

Translation of abstract (German)

Der Lorbeerwald auf Teneriffa kann als sensitives Ökosystem betrachtet werden, in dem zahlreiche geochemische Prozesse mit regionalen und globalen atmosphärischen Einträgen kollidieren und interagieren. So werden beispielsweise die Lorbeerwaldböden durch unterschiedliche Gesteine, geogene Aerosole (bspw. Saharastaub), anthropogene Emissionen (bspw. PKW-Abgase) sowie durch sozioökonomische Veränderungen (bspw. erschließen neuer Äcker, Entstehung von Brachflächen) beeinflusst.

Schwerpunkt dieser Arbeit ist, einigen dieser geochemischen Prozesse und geogener bzw. anthropogener Einträge auf den Grund zu gehen und diese zu interpretieren. Dafür wurde der Si-, Al-, Fe-, Ca-, Na-, Mg-, K-, Ti-, P-, Mn-, Sr-, Stot-, Ctot-, Zr-, Ni-, Zn-, Cu-, Pb-, Mo-, Sb-, Cd-, und Hg- Gehalt zahlreicher Gesteins-, Boden-, Wurzel-, und Blattproben ermittelt. Beprobt wurden insgesamt 26 Standorte auf der nördlichen Seite Teneriffas. Die Probenstellen befinden sich in abgeschiedenen Lorbeerwaldbereichen, erschlossenen und bei Touristen beliebten Waldgebieten (z.B Pico del Ingles), sowie auf brachliegenden Ackerflächen am Rand des Lorbeerwalds. Die Blatt- und Wurzelproben stammen von der Baumspezies Laurus novocanariensis.

Das erste Ziel dieser Doktorarbeit ist herauszufinden, ob die Lorbeerwaldoberböden des Anaga-, Orotava- und Teno-Gebiets anhand typischer geochemischer „Fingerabrücke“ differenzierbar sind. Die Ergebnisse zeigen, dass die Oberböden des Orotava- Tals andere Sr/Ca-, Na/Ca- und Na/K- Verhältnisse als die Anaga- und Teno- Böden besitzen. Die geplotteten Gesteins- und Bodenergebnisse veranschaulichen zudem, dass die Gesteinsverhältnisse der Orotava-Probenstellen bis auf die obersten Bodenhorizonte abfärben und so einen geochemischen Fingerabdruck vom Gestein bis zum Oberboden hinterlassen. Ferner werden die L. novocanariensis- Blätter durch die dazugehörigen Böden und Gesteine beeinflusst. Die Sr- und Ca-Ergebnisse verdeutlichen, dass nicht allein ein hoher Sr-Gehalt im Boden (bis zu 788,0 ± 46,0 µg/g Sr) für hohe Sr-Werte im Blatt entscheidend ist (bis zu 148,4 ± 8,7 µg/g Sr). Verantwortlich für erhöhte Sr-Blattgehalte ist vielmehr das richtige Sr/Ca-Verhältnis im Boden. Des Weiteren gibt es mehrere geplottete Elementverhältnisse, die bis auf ein paar wenige Standorte alle Probenlokationen von einander unterscheidbar machen (z.B Mg/Ni, Fe/Ti, Mg/Cu). Allerdings konnten aufgrund einiger Überschneidungen keine typischen Anaga- und Teno-Fingerabrücke ermittelt werden. Nichtdestotrotz ist es möglich, die unterschiedlichen Probenareale anhand bestimmter Element-zu-Element Verhältnisse von einander zu differenzieren. Beispielsweise haben die Bodenproben im Teno-Gebiet Na-zu-P -Verhältnisse von 1.2:1 bis 2.7:1, im Anaga-Gebiet - 1:1 bis 1:4.1 und im Orotava-Gebiet variieren sie von 3.8:1 bis 5.9:1.

Das zweite Ziel der Forschungsarbeit ist zu ergründen, ob Pb, Hb, Cd und Sb durch geochemische Prozesse oder durch anthropogene bzw. geogene Einträge in den Lorbeerwald eingebracht werden. Die Untersuchungen zeigen, dass Hg und Pb stellenweise in erhöhten Konzentrationen vorliegen, doch linear geplottete Elementverhältnisse lassen darauf schließen, dass beide Elemente durch geochemische Prozesse in die Oberböden und in die Blätter gelangen. Beispielsweise kann man durch lineare Korrelationen erkennen, dass Hg und Pb mit Ca, Fe, Ti, Mn, Al und Zn im Oberboden miteinander verbunden sind. Eine klare Unterscheidung ob geochemische Prozesse oder geogene bzw. anthropogene Einträge für die gemessenen Sb- und Cd-Konzentrationen verantwortlich sind ist nicht möglich. Zwar weisen einige Ergebnisse darauf hin, dass beide Elemente anthropogen und geogen eingetragen werden, doch dies lässt sich anhand der erhaltenen Datensätze nicht eindeutig verifizieren. Die Ergebnisse verdeutlichen dennoch, dass das beliebte Anaga-Ausflugsziel „Pico del Ingles“ die höchsten Sb-, Cd- und Pb-Konzentrationen in den Bodenproben (bspw. bis zu 58,3 ± 4,2 µg/g Pb) und in den Blättern (bspw. bis zu 0,70 ± 0,03 µg/g Sb) vorweist.

Der dritte Arbeitsschwerpunkt geht der Frage nach, ob die Boden- und Blattproben der brachliegenden Ackerflächen sowie der Lorbeerwaldgebiete ausreichende Mengen an pflanzenessentiellen Nährstoffen enthalten. Durch den Vergleich aller Ergebnisse mit publizierten Nährstoffdaten wird deutlich, dass die Blatt- und Bodenproben über ausreichende und normale Mengen an K, P, Ca, Mg, Stot, Fe, Mn, Zn, Cu, Mo und Ni verfügen. Einzig die ermittelten K-Bodenwerte liegen stellenweise etwas unterhalb der publizierten Daten. Deutliche Unterschiede existieren dagegen bei der Nährstoffverteilung zwischen Acker- und Waldböden. So besitzen die Ackerböden im Gegensatz zu den heterogenen Lorbeerwaldböden innerhalb der oberen 15 cm eine homogene Nährstoffverteilung. Des Weiteren sind Düngerrückstände auf den brachliegenden Ackerflächen nicht zu erkennen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Glasmacher, apl. Prof. Dr. Ulrich Anton
Date of thesis defense: 29 July 2013
Date Deposited: 07 Aug 2013 13:56
Date: 31 July 2013
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institut für Geowissenschaften
Subjects: 550 Earth sciences
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