Bodenentwicklung und Bodengesellschaften vom Mittelmeer zur Qattara-Depression in Nordwestägypten

Ziel dieser Arbeit ist es, den Einfluß zunehmender Aridität auf die Bodenentwicklung und Vergesellschaftung von Böden im Grenzbereich zwischen Halb- und Voll wüste zu untersuchen und die Kenntnisse über Böden des Libyschen Kalksteinplateaus in Nordwestägypten zu erweitern. Dazu wurden auf einem Transekt zwischen Garâwla bei Mersa Matrûh an der ägyptischen Mittelmeerküste und dem Râs el Qattâra am Nordrand der Qattâra Depression sieben Bodenlandschaften (Küstenebene, Inlandebene, Nördliche Hochebenen, Nördliche und Zentrale Schichtstufenlandschaft des Libyschen Plateaus, Südliche Tafelberge des Libyschen Plateaus und Qattâra Randplateau) in jeweils einer charakteristischen Catena beschrieben und untersucht. Die Bodenklassifikation erfolgte anhand der FAO-Klassifikation (FAO 1974). Repräsentative Böden wurden untersucht auf: Körnung vor und nach Kalkzerstörung; Porung; Dichte; pH-Werte; elektrische Leitfähigkeiten im 1:2,5- und 1:5- Boden: Wasserextrakt; Na, K, Ca, Mg, Cl, SO4, HCO3 und CO3 im 1:5- Boden: Wasserextrakt; Austauschkapazität und austauschbares Na, K und Mg; org. C und Gesamt-C; S; N; Oxalat- und Siedeoxa lat- lösliches Si, Al, Fe u. Mn; HCl - lösl i ches Mg, Ca, Fe, Al, Mn, K, Na und P; Flußsäure-Perchlorsäureaufschluß von Mg, Ca, Fe, Al, Mn, Ti, K, Na und P; röntgenographische Tonmineralbestimmung; Dünnschliffpräparate. Das Klima ist unmittelbar an der Küste ein mediterranes Halbwüstenklima mit Winter regen um 140 mm, nach Süden zum Râs el Qattâra nimmt der Niederschlag bis auf ca. 30 mm ab, das Klima wird insgesamt kontinentaler. Geologie und Geomorphologie werden durch die vorherrschenden Kalksteine und Dolomite des Libyschen Plateaus geprägt. Im Norden ist das Plateau durch marine Transgressionen überprägt, mehrere gestaffelte Landstufen führen auf die Plateauhochflächen. Die anstehenden Kalke sind von quarzreichen Sedimenten überlagert. Im Zentrum sind die Kalke und Dolomite oberflächenbildend, die Landschaft wird durch ein Wirrwar aus flachen Schichtstufen und Schicht flächen mit aufgesetzten niedrigen Tafelbergen geprägt. Im südlichen Abschnitt werden abflußlose Depressionen häufig. Der Südrand des Plateaus wird durch einen 200 m hohen Steil abfall in die Qattâra Depression markiert. Hier treten neben den Kalken Mergel und Sandsteine auf, die Schichten führen teilweise Gips und Salz. Bei den Böden läßt sich grob zwischen Böden der Flächen und der Senken (im weiteren Sinne) unterscheiden. An Flächenböden dominieren im Bereich von In landebene und Nördlichen Hochebenen flach- bis mittelgründige Calcic und Luvic Yermosole mit einer versteinerten Kalkkruste. Solonchake sind auf eng begrenzte Reliefpositionen beschränkt. Die Bodenmächtigkeit über der Kalkkruste nimmt nach Süden hin ab. Im Bereich des Libyschen Plateaus herrschen dann Lithosole auf den Flächen vor, daneben kommen aber auch noch Luvic und Haplic Yermosole bis in den südlichen Bereich vor. Dort breiten sich neben weiterhin Lithosolen immer mehr Solonchake aus. Die Senkenböden sind im Bereich der Küstenebene Gleyic Solonchake der Sabkhas. In der Inlandebene dominieren sehr tiefgründige Luvic Yermosole ohne Kalkkrusten. Auf den Nördlichen Hochebenen ist eine ältere Generation von Yermosolen durch junge Flugsande als Folge der allgemeinen Destabilisierung der Oberflächen durch Überweidung verschüttet. In diesen Flugsanden haben sich Cambie Arenosole ausgebildet. Xerosole sind nur in besonders günstigen, d.h. kleinen Senken mit hohem Zuschußwassereintrag, verbreitet. Im Libyschen Plateau werden die Senken von Playas (Endpfannen) eingenommen. In der Nördlichen Schichtstufenlandschaft ist der Playaboden ein Takyric Yermosol mit geringen Salzgehalten. In der Zentralen Schichtstufenlandschaft herrschen Ringplayas vor - salzalkalische Playas mit einem vegetationsfreien Zentrum und einem Vegetationsgürtel am Rand. Die Erosionsrinnen sind dagegen salzarme Haplic Yermosole. Nur die Oberfläche ist erkennbar fluviátil geprägt. In den Südlichen Tafelbergen sind die Playas wieder salzarm und tragen auch im Zentrum wieder Vegetation. Am Qattâra Randplateau verwischt der Unterschied zwischen Senken und Flächenböden, es dominieren Orthic Solonchake. In der Dynamik von Bodenbildungsprozessen und der Ausbildung von Merkmalen ist der nach Süden zunehmende Ariditätsgradient deutlich spürbar. Die Ausbildung typischer Wüstenbodenmerkmale wie vesikulärer Av-Horizont, Desert pavement und Flugsanddecke ist aber bereits an der Küste vorhanden. Im Bereich der In landebene und der Nördlichen Hochebenen besteht eine Diskordanz zwischen den Quarzsand-reichen Ausgangsmaterialien der Böden und den anstehenden Kalksteinen. Diese Deckschichten sind das Ergebnis einer kontinuierlichen Nettoakkumulation äolischen Materials (Flugsande, Wüstenlösse und -stäube) aus dem dynamischen Prozeß von Windabblagerung und -erosion auf der Oberfläche. Dabei wird das akkumulierte Material kontinuierlich in die Bodendynamik mit einbezogen, so daß Sedimentumlagerung im Untersuchungsgebiet zu den bodenbildenden Prozessen gerechnet werden muß. Gesteuert wird die Akkumulationsrate über die Vegetationsdichte und indirekt durch die Tiefenläge der Kalkkruste ( Durchwurze lungs raum) . Der Einbezug äolischen Materials in die Bodenbildung läßt sich bis zum Qattâra Randplateau nachweisen. Der Eintrag von quarzitischem Material aus der Luft übertrifft die Residualanreicherung durch Kalklösung um ein Vielfaches. Die Abnahme der Humusgehalte von 0,4% an der Küste bis auf Gehalte < 0,1% auf dem Qattâra Randplateau spiegelt recht gut die zunehmende Aridität wieder. Die Humusgehalte sind aber bereits an der Küste so gering, daß die Bedingungen eines "weak ochric-A-horizon" als Kennzeichen des Xerosols nur in Ausnahmen erfüllt werden. Vergleiche mit anderen Bodenlandschaf ten zeigen, daß die Grenze zwischen überwiegend "weak ochric "und "very weak ochric"-A-Horizonten im nordöstlichen Sahararandbereich bei ca. 200-250 mm Niederschlag liegt und die Grenze zwischen trockener Steppe und Halbwüste markiert. Bodenreaktion: Die Böden sind überwiegend mittel, die salzarmen Böden auch stark alkalisch. Die Versalzung ist im Untersuchungsgebiet vergleichsweise gering und erfaßt erst bei Nieder sch lägen < 50 mm die gesamten Catenen. Dies ist Folge einer relativ groben Körnung mit geringen nutzbaren Wasserspeicherkapazitäten und angenommen hohen Wasserleitfähigkeiten. In der Inlandebene und auf den Nördlichen Hochebenen sind die Flächenböden salzarm, wobei allerdings eine Salzanreicherung unterhalb der Kalkkruste wahrscheinlich ist. In den Senkenböden setzt Salzakkumulation erst im tieferen Unterboden ein. Salzanreicherung ist an bestimmte Geländepositionen - vor allem Pedimentflächen vor Schichtstufen - gebunden. Im Libyschen Plateau setzt eine noch mäßige Versalzung der vorherrschenden Lithosole ein. Die Playas sind zunächst noch salzarm, im Zentrum des Plateaus dann ebenfalls mäßig versalzen. Bis in die Südlichen Tafelberge sind weiterhin salzarme Böden verbreitet. Erst am Qattâra Randplateau ist die Landschaft durchgehend stark salzbeeinflußt. Es dominieren bei geringen Salzgehalten Natriumcarbonate und bei höheren Salzgehalten NaCl. Im Süden sind auch höhere MgSO4-Gehalte verbreitet. Neben allochtonem Eintrag lufttransportierter Salze ist im südlichen Untersuchungsgebiet ein großer Teil der Salze gesteinsbürtig. In den salzreichen Pediment flächen spielt die physikalische Salzverwitterung mit anschließender Ausblasung des Zersatzes eine landschaftsprägende Rolle (kleinere abflußlose Depressionen). Die Austauschkapazitäten korrelieren eng mit den Tongehalten und sind wegen der hohen Sandgehalte überwiegend gering bis mittel. Es überwiegt an austauschbaren Kationen Ca, im Libyschen Plateau ist aber auch gleich hohe oder höhere Mg-Belegung verbreitet. In salzarmen Böden der Inlandebene und der Nördlichen Hochebenen ist meist eine sodic Phase mit austauschbarem Na zwischen 6 und 10% typisch. Die Ringplayas in der Zentralen Schichtstufenlandschaft haben neben hoher Mg-Belegung knapp über 16% austauschbares Na (Solonetze). Die prozentuale Kaliumbelegung nimmt von 15-20% im Norden auf 5% am Qattâra Randplateau ab. Gipsgehalte sind im Untersuchungsgebiet mit hohen Salzgehalten korreliert, so daß die Gipsverteilungsmuster den Salzverteilungsmustern folgen. Entkalkung, Kalkverlagerung und Carbonatisierung: Die Böden im Untersuchungsgebiet sind bereits primär stark bis extrem carbonathaltig. Die Carbonat gehalte nehmen nach Süden zu, dabei wird zunehmend Kalk durch Dolomit ersetzt. Entkalkte Bodenhorizonte kommen nicht vor. Kalklösung, -verlagerung und -ausfällung in Anreicherungshorizonten sind in allen Böden der Inlandebene und der Nördlichen Hochebenen neben der Sedimentakkumulation die wichtigsten Bodenbildungsprozesse. Die Tiefe der Anreicherungshorizonte nimmt dabei nach Süden ab. In den Senkenböden überwiegen weiche, diffuse bis konkretionäre Anreicherungsformen, Kalkkrusten treten nur vereinzelt in Initialstadien auf. In den Flächenböden haben sich dagegen durchgehend Kalkkrusten ausgebildet. Der Ausbildungsgrad der Kalkkruste in dem am weitesten fortgeschrittenen Stadium einer versteinerten "Dalles compact” mit “Pellicule rubanée" (RUELLAN 1971) spricht für alte Oberflächen und eine lange Bildungsdauer. Da sie sich aber auch rezent 1n Weiterentwicklung befinden sind sie zwar alt, aber nicht reliktisch oder fossil. In der Nördlichen Schichtstufenlandschaft des Libyschen Plateaus (30-40 km von der Küste) klingt eine morphologisch oder analytisch nachweisbare Kalkverlagerung aus. Dieser Bereich wird von uns deshalb als Grenze zwischen pedologischer Halbwüste und Vollwüste gesehen und deckt sich mit der Vegetationsgrenze. Das Fehlen aller Indizien für eine Kalkdynamik weiter südlich spricht für eine stabile Grenze, die auch während quartärer Feuchtzeiten nicht wesentlich verschoben wurde. Eine morphologisch erkennbare Verbräunung entwickelt sich auch in jungen Böden relativ rasch und ist bis zum Qattâra Randplateau zu beobachten. Oie Gehalte an röntgenamorphen Oxiden sind sehr gering, an besser kristallisierten pedogenen Oxiden gering bis mittel. Mediterrane, rote Böden kommen nicht vor. Als Tonneubildung wurde Palygorskit nachgewiesen. Tonverlagerung, in geringer Intensität und auf kurze Distanzen beschränkt, ist bis in den Bereich der Vollwüste wirksam. Die Bedeutung liegt in der selektiven Einbindung des feineren Materials aus der labilen Flugsanddecke (Lößbeimengung) in den (jeweiligen) Oberboden. Standortseignung: Bereits die physikalischen Standortseigenschaften - geringe Gründigkeiten in Verbindung mit geringen nutzbaren Wasserspeicherkapazitäten - lassen eine Ausweitung der landwirtschaftlichen Nutzung über das jetzige Maß nicht zu. Die starke Alkalinität führt zudem zur geringen Verfügbarkeit von Nährelementen wie Phosphor oder Mangan. Bodenentwicklung: Das zunehmende Wasserangebot von der Vollwüste zur Halbwüste äussert sich in der Abfolge bzw. Intensitätssteigerung der Bodenbildungsprozesse: Salzverwitterung → Verbräunung → Salz- und Gipsverlagerung → Sedimentakkumulation/Tonverlägerung → Tonneubildung → Carbonatisierung. Die Bodenentwicklung ist demnach nicht durch fehlende Bodenbildungsprozesse, sondern deren geringe Intensität geprägt. Zum wesentlichen Faktor für die Ausbildung von Bodenmerkmalen wird die Einwirkungsdauer, die bei ausreichend stabiler Oberfläche auch kleine Bildungsraten akkumulieren kann. Feuchtere Zelten im Quartär lagen in ihrer Niederschlagshöhe sehr wahrscheinlich im Schwankungsbereich der rezenten Bodendynamik, so daß dadurch keine grundlegende Änderung der Bodendynamik, sondern nur eine Intensitätsverstärkung bewirkt wurde.

The object of this work is to study the influence of increasing aridity on soil development and soil associations in the borderline between semidesert and desert and to enlarge the knowledge about soils of the Libyan Limestone Plateau in North-West Egypt. For this reason seven soil scapes (Coastal Plain, Inland Plain, Northern High Plains, Northern and Central Cuesta Plains of the Libyan Plateau, Southern Table Mountains of the Libyan Plateau and Qattâra Edge Plateau), each in one typical Catena, were described and analysed along a transect between the Mediterranean coast and the northern edge of the Qattâra Depression. The soil-classification was done with the FAO-classification (FAO 1974). Representative soils were analysed for: particle size distribution before and after carbonate decomposition; pore sizes; bulk density; pH; electric conductivity in the 1:2,5 and 1:5 soil: water solution extract; Na, K, Ca, Mg, Cl, SO4 , HCO3 and CO3 in the 1:5 soil:water solution extract; cation exchange capacity and exchangeable Na, K and Mg; org. C and total-C; S; N; oxalate soluble und boiled oxalate soluble Si, Al, Fe and Mn; HCl-soluble Mg, Ca, Fe, Al, Mn, K, Na and P; fluoric-perchloric-acid extract of Mg, Ca, Fe, Al, Mn, Ti, K, Na and P; X-ray diffraction with semiquantitative graphical clay mineral determination; thin sections micromorphology. The climate along the coast is a Mediterranean semidesertic climate with winter rains of 140 mm. Far south at the Râs el Qattâra, the precipitation decreases to about 30 mm. The climate gets more continental. Geology and geomorphology are dominated by the Miocene limestones and dolomites of the Libyan Plateau. In the north the plateau is formed by marine transgressions. Some staggered escarpements lead to the tableland area. The exposed limestones are covered by sediments rich in quartz-sand. In the middle of the plateau the limestones and dolomites build the surface, the landscape is formed by a crowd of small cuestas and flat plains with some low table mountains. In the southern region, depressions without drainage are frequent. The southern edge of the plateau leads with a 200 m steep ridge into the Qattâra Depression. Here limestones, marls and sandstones occur which contain sometimes gypsum and salts. The soils are generally different in the plains and in the hollows. The Inland Plain and the Northern High Plains are dominated by Calcic Yermosols and Luvic Yermosols with a petriefied calcrete (hard pan calcrete). The soil depth, depth of the topsoil above the calcrete and the thickness of the calcrete itself decreases towards the south. Solonchaks are limited to few relief positions. On the Libyan Plateau, Lithosols dominate the plains, towards the southern areas associated with Luvic and Haplic Yermosols. Beside the Lithosols more and more Solonchaks contribute to the soil cover in the south. The soils of the hollows in the Sabkhas of the Coastal Plain are Gleyic Solonchaks. The Inland Plain depressions are dominated by very deep Luvic Yermosols without a petrocalcic horizon. On the Northern High Plaines an older generation of Yermosols was, as a reaction of the general destabilisation caused by overgrazing, covered with aeolian sands. In these sands Cambie Arenosols have developed. Xerosols occur only in very favoured - i.e. small hollows with high runoff gain from the surrounding area. On the Libyan Plateau the small catchment areas have small playas at the lower end. The soil of these playas is in the Northern Cuesta Plains a Takyric Yermosol with a low salt content. In the Central Cuesta Plains ring playas dominate - salt alkaline playas with a vegetationless center and a vegetation belt around. On the other hand Haplic Yermosols with a low salt content develop along drainage lines. Only the surface is influenced by fluvial sediment structures. In the Southern Table Mountains the playas are again low in salts and vegetation settles in the center. At the Qattâra Edge Plateau the difference between hollow and plain soils disappears, Orthic Solonchaks predominate. In the dynamic of soil development processes and the formation of morphological features, the gradient of increasing aridity toward the south is well recognizable. But the typical features of desert soils such as anindurated surface horizon with vesicular pores, a desert pavement and the accumulation of blown sand on the surface are already present at the coast. In the area of the Inland Plain and the Northern High Plains there exists a discordance between quartz-sand rich parent material of the soils and the limestone underneath. This cover- layer is the result of a continuous netto accumulation of aeolian material (wind blown sand, desert loess and dust) in a dynamic process of wind deposition and surface erosion. This accumulated material is continuously involved in the soil development. Therefore sediment shifting in the investigated area must be classed as an important soil building process. The density of vegetation and, Indirectly, the depth of the calcrete (rooting zone) controls the rate of accumulation. The involving of aeolian material is detectable up to the Qattâra Edge Plateau. The input of aeolian quartzitic material from the air exceeds the accumulation of calcareous dissolution residuals many times. The decrease of organic natter from 0,4% at the coast to less than 0,1% at the Qattâra Edge Plateau shows the increasing aridity. But the organic matter contents at the coast are already too low to meet the requirements for the "weak ochric-A-horizon" and Xerosols are so classified only exceptionally. The comparison with other soil scapes shows, that the border between prevailing "weak ochric” and “very weak ochric" A horizons lies in the northeastern Sahara borderland betwith 200 - 250 mm precipitation and marks the border between arid steppe and semidesert. Soil reaction: The soils are mainly medium alkaline, those with a low salt content are also strong alkaline. The salinity of the soils in the studied area is comparatively low and only at precipitations of less than 50 mm does the complete catena show considerable salt content. This is the consequence of the coarse soil texture with low water holding capacity and a presumed high permeability. On the Inland Plain and on the Northern High Plains the plain’s soils have a very low salt content, though the enrichment of salt below the calcrete is probable. In the soils of the alluvial fans, salt accumulation begins only in the deeper subsoil. Saline soils are restricted to special landscape positions - mostly pediments and upper slopes. On the Libyan Plateau a moderate salinity of the predominating Lithosols begins. In the north, the playas are still non saline, in the center of the plateau they are also moderately saline. Non saline soils still occur up to the Southern Table Mountains. Only in the Qattâra Edge Plateau the whole landscape is strongly saline. With low salt content Na-Carbonates dominate whereas with high salt content Na-chlorides dominate. In the southern regions higher MgSO< contents are also widespread. Besides the input of airborn salts in the southern part of the Investigated area, a great part of the salts are of rock born origin. Salt weathering with following wind driven erosion in the very strongly saline pediments is geomorphologically dominant (small undrained depressions). The exchange capacity correlates well with the clay content and is, because of the high sand content, mostly slight to medium. As exchangable cation Ca dominates, but on the Libyan Plateau equal or larger amounts of Mg as exchangable cation also occur. In the non saline soils of the Inland Plain and the Northern High Plains a sodic phase with exchangeable Na between 6 and 10% is most typical. The percentage of exchangeable K decreases from 15-20% in the north to 5% at the Qattâra Edge Plateau. Higher contents of gypsum correlate in the investigated area with strong salinity. Lime-solution, lime-transport and carbonatisation: The soils in the investigated area are already pri- marily strong to extreme calcareous. The carbonate contents increase to the south, thereby lime is replaced more and more by dolomite. Horizons free of carbonate do not exist. Lime-solution, displacement and accumulation in calcic horizons 1s, 1n addition to the sedimentary accumulation the most important soil forming process 1n all the soils of the Inland Plain and the Northern High Plains. The depth of the accumulation horizons decreases to the south. In the hollow soils, weak, diffuse to nodular enrichement forms dominate. Lime incrustations are rare and only in a initial stage. In the plain soils calcretes always develop.. The differentiation of the calcrete, in the most progressive stage of a petrified compact slap ('dalle compact", RUELLAN 1971) a ribboned pellicule ("pellicule rubanée"), is a proof for an old surface and a long building period. But since they are still in development they are old, but not relictic or fossile. In the Northern Cuesta Plains of the Libyan Plateau (30-40 km from the coast), a morphologically or analytically ascertainable lime displacement ends. This area 1s regarded as the border between the pedological semidesert and the full desert and coincides with the vegetation border here. The absence of all indications of a lime dynamic further south is an argument for a stable border, even during more moist periods during the Quarternary. A morphologically recognizeable weathering to stronger chroma and redder hue is also developing quickly in young soils as far south as on the Qattâra Edge Plateau. The content of low cristallized oxides is very low, of better cristallized oxides low to medium. Mediterranean red soils are absent. Palygorskit was established as a new clay formation. Clay illuviation, limited to a low intensity and to short distances, occurs even in the region of the full desert. Its Importance lies in the selective accumulation of fine material from the instable blown sand cover (loess content) to the (specific) topsoil. Site quality: Even the physical properties of the soils - limited soil depth and limited useful water holding capacity - prevent an extension of the agricultural use beyond the present stage. The strong alkalinity also leads to limited availability of nutrients such as posphorus or manganese. Soil development: The increasing availability of water in the semidesert as compared to the full desert is reflected in the sequence and intensity of the soil forming processes: salt weathering → alteration (browning) -> salt and gypsum displacement, sediment accumulation / clay illuviation → alteration (new formation of clay) - lime displacement / calcification. The soil development is therefore not a problem of missing soil forming processes but of their intensity. The reaction time is one important limiting factor for the development of soil features; with sufficiently stable surface, even small development rates enable them to accumulate. Moister périodes during the Quaternary very probable were in the precipitation range of the recent soil dynamic, so that no fundamental change of soil dynamics but only strengthening of the intensity occurred.