Litter decomposition and humification in acidic forest soils studied by chemical degradation, IR and NMR spectroscopy and pyrolysis field ionization mass spectrometry

Two forest soils (Typic Dystrochrept, Entic Haplorthod) with mor and moder were investigated by chemical degradation, IR and CPMAS 13C NMR spectroscopy and pyrolysis (Py) field ionization (FI) mass spectrometry (MS). Chemical analyses show that during litter decomposition, humification, and podzolisation, cellulose and lignin structures decrease considerably, whereas no distinct changes were found for the hemicellulose and protein fractions. These results are consistent with current hypotheses on the conversion of plant residues to stable humic substances, but the sum of chemically identified organic soil components of the litter layers only accounts for 40–50% of total organic carbon. The amounts of different carbon types were estimated by the integration of CPMAS 13C NMR spectra. For the L layers this calculation assigns 56–58% as O-alkyl-C, 20–22% as alkyl-C, 14–16% as aryl-C, and 6–8% as carboxyl-C. With increasing soil depth O-alkyl-C (with polysaccharides as main source) decrease to 31–42%, aliphatic C increases to 36–43%, and aryl- and carboxyl-C show no distinct changes. The hypothesis of an increasing aromaticity during humification in soils therefore is questionable. Data from Py-FIMS confirm and extend the results' of chemical methods as well as IR and 13C NMR spectroscopy. In particular, the Fi mass spectra of the generated pyrolysates show that the increase in polymethylene carbon during the biodegradation and humification of beech and spruce litter is partly due to an increase of saturated fatty acids. This means, Py-FIMS is able to describe the structure of wet-chemically unaccounted, individual humus constituents and thus improves the knowledge about the genesis of humic substances. Untersuchungen zur Streuzersetzung und Humifizierung in sauren Waldhumusprofilen mit chemischem Abbau, IR und NMR Spektroskopie und Pyrolyse Feldionisation-Massenspektrometrie Zwei Waldboden (Typic Dystrochrept, Entic Haplorthod) mit Rohhumus und Moder wurden chemisch, spektroskopisch (IR, CPMAS 13C NMR) und thermisch (Py-FIMS) untersucht. Die Ergebnisse der chemischen Analyse zeigen, das wahrend der Streuzersetzung, Humifizierung und Podsolierung Cellulose und Lignin abnehmen, wahrend sich Hemicellulosen und Proteine kaum verandern. Diese Ergebnisse stimmen mit den bekannten Vorstellungen bezuglich Streuzersetzung und Humifizierung uberein, jedoch erklart die Summe der chemisch identifizierten organischen Bodeninhaltsstoffe der Streulagen nur 40–50% des gesamten organischen Kohlenstoffs. Die Summe der verschiedenen Bindungsformen des Kohlenstoffs wurde durch Integration der 13C NMR Spektren errechnet. Fur die L-Lagen gilt: 56–58% O-Alkyl-C, 20–22% Alkyl-C, 14–16% Aryl-C und 6–8% Carboxyl-C. Mit zunehmender Bodentiefe nehmen die Polysaccharide auf 31–42% ab, der Aliphatenanteil steigt auf 36–43%, Aryl-C und Carboxyl-C zeigen keine deutlichen Veranderungen. Die Hypothese der zunehmenden Aromatisierung wahrend der Humifizierung in Boden wird dadurch grundsatzlich in Frage gestellt. Die Ergebnisse der Py-FIMS bestatigen und erweitern sowohl die chemischen als auch die IR- und 13C NMR-spektroskopischen Befunde, da sie die Zunahme des Aliphatenanteils wahrend der Streuzersetzung und Humifizierung von Buchen- und Fichtenstreu zumindest teilweise mit der. Anreicherung gesattigter Fettsauren erklaren lassen. Somit erlaubt die Py-FIMS Hinweise auf die Struktur bisher naschemisch nicht erfaster, individueller Humuskomponenten und verbessert deshalb die Kenntnis der Huminstoffgenese.