Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and their polar derivatives (oxygenated PAHs, azaarenes) in soils along a climosequence in Argentina

We evaluated the effects of soil properties and climate on concentrations of parent and oxygenated polycyclic aromatic compounds (PAHs and OPAHs) and azaarenes (AZAs) in topsoil and subsoil at 20 sites along a 2100-km north (N)–south (S) transect in Argentina. The concentrations of Σ29PAHs, Σ15OPAHs and Σ4AZAs ranged 2.4–38 ng g− 1, 0.05–124 ng g− 1 and not detected to 0.97 ng g− 1, respectively. With decreasing anthropogenic influence from N to S, low molecular weight PAHs increasingly dominated. The octanol–water partitioning coefficients correlated significantly with the subsoil to topsoil concentration ratios of most compounds suggesting leaching as the main transport process. Organic C concentrations correlated significantly with those of many compounds typical for atmosphere–soil partitioning. Lighter OPAHs were mainly detected in the S suggesting biological sources and heavier OPAHs in the N suggesting a closer association with parent-PAHs. Decreasing alkyl-naphthalene/naphthalene and 9,10-anthraquinone (9,10-ANQ)/anthracene ratios from N to S indicated that 9,10-ANQ might have originated from low-temperature combustion.

High exchangeable calcium concentrations in soils on Barro Colorado Island, Panama

The soils on four lithologies (basaltic conglomerates, Bohio; Andesite; volcanoclastic sediments with basaltic agglomerates, Caimito volcanic; foraminiferal limestone, Caimito marine) on Barro Colorado Island (BCI) have high exchangeable Ca concentrations and cation-exchange capacities (CEC) compared to other tropical soils on similar parent material. In the 0–10 cm layer of 24 mineral soils, pH values ranged from 5.7 (Caimito volcanic and Andesite) to 6.5 (Caimito marine), concentrations of exchangeable Ca from 134 mmolc kg− 1 (Caimito volcanic) to 585 mmolc kg− 1 (Caimito marine), and cation exchange capacities from 317 mmolc kg− 1 (Caimito volcanic) to 933 mmolc kg− 1 (Caimito marine). X-ray diffractometry of the fraction < 2 μm revealed that smectites dominated the clay mineral assemblage in soil except on Caimito volcanic, where kaolinite was the dominant clay mineral. Exchangeable Ca concentrations decreased with increasing soil depth except on Caimito marine. The weathering indices Chemical Index of Alteration (CIA), Plagioclase Index of Alteration (PIA) and Weathering Index of Parker (WIP) determined for five soils on all geological formations, suggested that in contrast to expectation the topsoil (0–10 cm) appeared to be the least and the subsoil (50–70 cm) and saprolite (isomorphically weathered rock in the soil matrix) the most weathered. Additionally, the weathering indices indicated depletion of base cations and enrichment of Al-(hydr)oxides throughout the soil profile. Tree species did not have an effect on soil properties. Impeded leaching and the related occurrence of overland flow seem to be important in determining clay mineralogy. Our results suggest that (i) edaphic conditions favor the formation of smectites on most lithologies resulting in high CEC and thus high retention capacity for Ca and (ii) that there is an external source such as dust or sea spray deposition supplying Ca to the soils.

Schmiede ─ Heiligtum ─ Wassermühle. Cham-Hagendorn (Kanton Zug) in römischer Zeit. Ausgrabungen 1944/45 und 2003/04

1944/1945 wurde in Cham-Hagendorn eine Wassermühle ausgegraben, die dank ihrer aussergewöhnlich guten Holzerhaltung seit langem einen prominenten Platz in der Forschung einnimmt. 2003 und 2004 konnte die Kantonsarchäologie Zug den Platz erneut archäologisch untersuchen. Dabei wurden nicht nur weitere Reste der Wassermühle, sondern auch Spuren älterer und jüngerer Anlagen geborgen: eine ältere und eine jüngere Schmiedewerkstatt (Horizont 1a/Horizont 3) sowie ein zweiphasiges Heiligtum (Horizonte 1a/1b). All diese Anlagen lassen sich nun in das in den neuen Grabungen erkannte stratigraphische Gerüst einhängen (s. Beil. 2). Dank der Holzerhaltung können die meisten Phasen dendrochronologisch datiert werden (s. Abb. 4.1/1a): Horizont 1a mit Schlagdaten zwischen 162(?)/173 und 200 n. Chr., Horizont 1b um 215/218 n. Chr. und Horizont 2 um 231 n. Chr. Ferner konnten in den neuen Grabungen Proben für mikromorphologische und archäobotanische Untersuchungen entnommen werden (Kap. 2.2; 3.11). In der vorliegenden Publikation werden der Befund und die Baustrukturen vorgelegt, (Kap. 2), desgleichen sämtliche stratifizierten Funde und eine umfassende Auswahl der 1944/1945 geborgenen Funde (Kap. 3). Dank anpassender Fragmente, sog. Passscherben, lassen sich diese zum Teil nachträglich in die Schichtenabfolge einbinden. Die mikromorphologischen und die archäobotanischen Untersuchungen (Kap. 2.2; 3.11) zeigen, dass der Fundplatz in römischer Zeit inmitten einer stark vom Wald und dem Fluss Lorze geprägten Landschaft lag. In unmittelbarer Nähe können weder eine Siedlung noch einzelne Wohnbauten gelegen haben. Die demnach nur gewerblich und sakral genutzten Anlagen standen an einem Bach, der vermutlich mit jenem Bach identisch ist, der noch heute das Groppenmoos entwässert und bei Cham-Hagendorn in die Lorze mündet (s. Abb. 2.4/1). Der antike Bach führte wiederholt Hochwasser ─ insgesamt sind fünf grössere Überschwemmungsphasen auszumachen (Kap. 2.2; 2.4). Wohl anlässlich eines Seehochstandes durch ein Überschwappen der Lorze in den Bach ausgelöst, müssen diese Überschwemmungen eine enorme Gewalt entwickelt haben, der die einzelnen Anlagen zum Opfer fielen. Wie die Untersuchung der Siedlungslandschaft römischer Zeit rund um den Zugersee wahrscheinlich macht (Kap. 6 mit Abb. 6.2/2), dürften die Anlagen von Cham-Hagendorn zu einer in Cham-Heiligkreuz vermuteten Villa gehören, einem von fünf grösseren Landgütern in diesem Gebiet. Hinweise auf Vorgängeranlagen fehlen, mit denen die vereinzelten Funde des 1. Jh. n. Chr. (Kap. 4.5) in Verbindung gebracht werden könnten. Diese dürften eher von einer der Überschwemmungen bachaufwärts weggerissen und nach Cham-Hagendorn eingeschwemmt worden sein. Die Nutzung des Fundplatzes (Horizont 1a; s. Beil. 6) setzte um 170 n. Chr. mit einer Schmiedewerkstatt ein (Kap. 2.5.1). Der Fundanfall, insbesondere die Schmiedeschlacken (Kap. 3.9) belegen, dass hier nur hin und wieder Geräte hergestellt und repariert wurden (Kap. 5.2). Diese Werkstatt war vermutlich schon aufgelassen und dem Verfall preisgegeben, als man 200 n. Chr. (Kap. 4.2.4) auf einer Insel zwischen dem Bach und einem Lorzearm ein Heiligtum errichtete (Kap. 5.3). Beleg für den sakralen Status dieser Insel ist in erster Linie mindestens ein eigens gepflanzter Pfirsichbaum, nachgewiesen mit Pollen, einem Holz und über 400 Pfirsichsteinen (Kap. 3.11). Die im Bach verlaufende Grenze zwischen dem sakralen Platz und der profanen Umgebung markierte man zusätzlich mit einer Pfahlreihe (Kap. 2.5.3). In diese war ein schmaler Langbau integriert (Kap. 2.5.2), der an die oft an Temenosmauern antiker Heiligtümer angebauten Portiken erinnert und wohl auch die gleiche Funktion wie diese gehabt hatte, nämlich das Aufbewahren von Weihegaben und Kultgerät (Kap. 5.3). Das reiche Fundmaterial, das sich in den Schichten der ersten Überschwemmung fand (s. Abb. 5./5), die um 205/210 n. Chr. dieses Heiligtum zerstört hatte, insbesondere die zahlreiche Keramik (Kap. 3.2.4), und die zum Teil auffallend wertvollen Kleinfunde (Kap. 3.3.3), dürften zum grössten Teil einst in diesem Langbau untergebracht gewesen sein. Ein als Glockenklöppel interpretiertes, stratifiziertes Objekt spricht dafür, dass die fünf grossen, 1944/1945 als Stapel aufgefundenen Eisenglocken vielleicht auch dem Heiligtum zuzuweisen sind (Kap. 3.4). In diesen Kontext passen zudem die überdurchschnittlich häufig kalzinierten Tierknochen (Kap. 3.10). Nach der Überschwemmung befestigte man für 215 n. Chr. (Kap. 4.2.4) das unterspülte Bachufer mit einer Uferverbauung (Kap. 2.6.1). Mit dem Bau eines weiteren, im Bach stehenden Langbaus (Kap. 2.6.2) stellte man 218 n. Chr. das Heiligtum auf der Insel in ähnlicher Form wieder her (Horizont 1b; s. Beil. 7). Von der Pfahlreihe, die wiederum die sakrale Insel von der profanen Umgebung abgrenzte, blieben indes nur wenige Pfähle erhalten. Dennoch ist der sakrale Charakter der Anlage gesichert. Ausser dem immer noch blühenden Pfirsichbaum ist es ein vor dem Langbau aufgestelltes Ensemble von mindestens 23 Terrakottafigurinen (s. Abb. 3.6/1), elf Veneres, zehn Matres, einem Jugendlichen in Kapuzenmantel und einem kindlichen Risus (Kap. 3.6; s. auch Kap. 2.6.3). In den Sedimenten der zweiten Überschwemmung, der diese Anlage um 225/230 n. Chr. zum Opfer gefallen war, fanden sich wiederum zahlreiche Keramikgefässe (Kap. 3.2.4) und zum Teil wertvolle Kleinfunde wie eine Glasperle mit Goldfolie (Kap. 3.8.2) und eine Fibel aus Silber (Kap. 3.3.3), die wohl ursprünglich im Langbau untergebracht waren (Kap. 5.3.2 mit Abb. 5/7). Weitere Funde mit sicherem oder möglichem sakralem Charakter finden sich unter den 1944/1945 geborgenen Funden (s. Abb. 5/8), etwa ein silberner Fingerring mit Merkurinschrift, ein silberner Lunula-Anhänger, eine silberne Kasserolle (Kap. 3.3.3), eine Glasflasche mit Schlangenfadenauflage (Kap. 3.8.2) und einige Bergkristalle (Kap. 3.8.4). Im Bereich der Terrakotten kamen ferner mehrere Münzen (Kap. 3.7) zum Vorschein, die vielleicht dort niedergelegt worden waren. Nach der zweiten Überschwemmung errichtete man um 231 n. Chr. am Bach eine Wassermühle (Horizont 2; Kap. 2.7; Beil. 8; Abb. 2.7/49). Ob das Heiligtum auf der Insel wieder aufgebaut oder aufgelassen wurde, muss mangels Hinweisen offen bleiben. Für den abgehobenen Zuflusskanal der Wassermühle verwendete man mehrere stehen gebliebene Pfähle der vorangegangenen Anlagen der Horizonte 1a und 1b. Obwohl die Wassermühle den 28 jährlichen Überschwemmungshorizonten (Kap. 2.2) und den Funden (Kap. 4.3.2; 4.4.4; 45) zufolge nur bis um 260 n. Chr., während gut einer Generation, bestand, musste sie mindestens zweimal erneuert werden – nachgewiesen sind drei Wasserräder, drei Mühlsteinpaare und vermutlich drei Podeste, auf denen jeweils das Mahlwerk ruhte. Grund für diese Umbauten war wohl der weiche, instabile Untergrund, der zu Verschiebungen geführt hatte, so dass das Zusammenspiel von Wellbaum bzw. Sternnabe und Übersetzungsrad nicht mehr funktionierte und das ganze System zerbrach. Die Analyse von Pollen aus dem Gehhorizont hat als Mahlgut Getreide vom Weizentyp nachgewiesen (Kap. 3.11.4). Das Abzeichen eines Benefiziariers (Kap. 3.3.2 mit Abb. 3.3/23,B71) könnte dafür sprechen, dass das verarbeitete Getreide zumindest zum Teil für das römische Militär bestimmt war (s. auch Kap. 6.2.3). Ein im Horizont 2 gefundener Schreibgriffel und weitere stili sowie eine Waage für das Wägen bis zu 35-40 kg schweren Waren aus dem Fundbestand von 1944/1945 könnten davon zeugen, dass das Getreide zu wägen und zu registrieren war (Kap. 3.4.2). Kurz nach 260 n. Chr. fiel die Wassermühle einem weiteren Hochwasser zum Opfer. Für den folgenden Horizont 3 (Beil. 9) brachte man einen Kiesboden ein und errichtete ein kleines Gebäude (Kap. 2.8). Hier war wohl wiederum eine Schmiede untergebracht, wie die zahlreichen Kalottenschlacken belegen (Kap. 3.9), die im Umfeld der kleinen Baus zum Vorschein kamen. Aufgrund der Funde (Kap. 4.4.4; 4.5) kann diese Werkstatt nur kurze Zeit bestanden haben, höchstens bis um 270 n. Chr., bevor sie einem weiteren Hochwasser zum Opfer fiel. Von der jüngsten Anlage, die wohl noch in römische Zeit datiert (Horizont 4; Beil. 10), war lediglich eine Konstruktion aus grossen Steinplatten zu fassen (Kap. 2.9.1). Wozu sie diente, muss offen bleiben. Auch der geringe Fundanfall spricht dafür, dass die Nutzung des Platzes, zumindest für die römische Zeit, allmählich ein Ende fand (Kap. 4.5). Zu den jüngsten Strukturen gehören mehrere Gruben (Kap. 2.9.2), die vielleicht der Lehmentnahme dienten. Mangels Funden bleibt ihre Datierung indes ungewiss. Insbesondere wissen wir nicht, ob sie noch in römische Zeit datieren oder jünger sind. Spätestens mit der fünften Überschwemmung, die zur endgültigen Verlandung führte und wohl schon in die frühe Neuzeit zu setzen ist, wurde der Platz aufgelassen und erst mit dem Bau der bestehenden Fensterfabrik Baumgartner wieder besetzt.

Oxygenated polycyclic aromatic hydrocarbons and azaarenes in urban soils: A comparison of a tropical city (Bangkok) with two temperate cities (Bratislava and Gothenburg)

Environmental conditions in the tropics favor the formation of polar polycyclic aromatic compound (polar PACs, such as oxygenated PAHs [OPAHs] and azaarenes [AZAs]), but little is known about these hazardous compounds in tropical soils. The objectives of this work were to determine (i) the level of contamination of soils (0–5 and 5–10 cm layers) from the tropical metropolis of Bangkok (Thailand) with OPAHs and AZAs and (ii) the influence of urban emission sources and soil properties on the distribution of PACs. We hypothesized that the higher solar insolation and microbial activity in the tropics than in the temperate zone will lead to enhanced secondary formation of OPAHs. Hence, OPAH to related parent-PAH ratios will be higher in the tropical soils of Bangkok than in temperate soils of Bratislava and Gothenburg. The concentrations of ∑15OPAHs (range: 12–269 ng g−1) and ∑4AZAs (0.1–31 ng g−1) measured in soils of Bangkok were lower than those in several cities of the industrialized temperate zone. The ∑15OPAHs (r = 0.86, p < 0.01) and ∑4AZAs (r = 0.67, p < 0.01) correlated significantly with those of ∑20PAHs highlighting similar sources and related fate. The octanol–water partition coefficient did not explain the transport to the subsoil, indicating soil mixing as the reason for the polar PAC load of the lower soil layer. Data on PAC concentrations in soils of Bratislava and Gothenburg were taken from published literature. The individual OPAH to parent-PAH ratios in soils of Bangkok were mostly higher than those of Bratislava and Gothenburg (e.g. 9-fluorenone/fluorene concentration ratio was 12.2 ± 6.7, 5.6 ± 2.4, and 0.7 ± 02 in Bangkok, Bratislava and Gothenburg soils, respectively) supporting the view that tropical environmental conditions and higher microbial activity likely lead to higher OPAH to parent-PAH ratios in tropical than in temperate soils.

Plant diversity effects on the water balance of an experimental grassland

In the literature, contrasting effects of plant species richness on the soil water balance are reported. Our objective was to assess the effects of plant species and functional richness and functional identity on soil water contents and water fluxes in the experimental grassland of the Jena Experiment. The Jena Experiment comprises 86 plots on which plant species richness (0, 1, 2, 4, 8, 16, and 60) and functional group composition (zero to four functional groups: legumes, grasses, tall herbs, and small herbs) were manipulated in a factorial design. We recorded meteorological data and soil water contents of the 0·0–0·3 and 0·3–0·7 m soil layers and calculated actual evapotranspiration (ETa), downward flux (DF), and capillary rise with a soil water balance model for the period 2003–2007. Missing water contents were estimated with a Bayesian hierarchical model. Species richness decreased water contents in subsoil during wet soil conditions. Presence of tall herbs increased soil water contents in topsoil during dry conditions and decreased soil water contents in subsoil during wet conditions. Presence of grasses generally decreased water contents in topsoil, particularly during dry phases; increased ETa and decreased DF from topsoil; and decreased ETa from subsoil. Presence of legumes, in contrast, decreased ETa and increased DF from topsoil and increased ETa from subsoil. Species richness probably resulted in complementary water use. Specific functional groups likely affected the water balance via specific root traits (e.g. shallow dense roots of grasses and deep taproots of tall herbs) or specific shading intensity caused by functional group effects on vegetation cover. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.