Informatie

31.2B: Bodemvorming - Biologie


Bodemvorming is het resultaat van een combinatie van vijf factoren: uitgangsmateriaal, klimaat, topografie, biologische factoren en tijd.

leerdoelen

  • Beschrijf de vijf factoren die verantwoordelijk zijn voor bodemvorming

Belangrijkste punten

  • Moedermateriaal is het organische en anorganische materiaal waaruit de bodem wordt gevormd.
  • Klimaatfactoren, zoals temperatuur en wind, beïnvloeden de bodemvorming en de eigenschappen ervan; de aanwezigheid van vocht en voedingsstoffen is ook nodig om een ​​​​kwaliteitsbodem te vormen.
  • Topografie, of regionale oppervlaktekenmerken, beïnvloedt de afvoer van water, waardoor het moedermateriaal wordt verwijderd en de plantengroei wordt aangetast (hoe steiler de bodem, hoe meer erosie plaatsvindt).
  • De aanwezigheid van micro-organismen in de bodem zorgt voor poriën en spleten; planten bevorderen de aanwezigheid van micro-organismen en dragen bij aan bodemvorming.
  • Bodemvorming vindt plaats over een lange periode.

Sleutelbegrippen

  • rhizosfeer: het bodemgebied dat onderhevig is aan de invloed van plantenwortels en hun geassocieerde micro-organismen
  • fundament: het vaste gesteente dat zich op enige diepte onder het grondoppervlak bevindt
  • horizon: een bodemlaag met duidelijke fysische en chemische eigenschappen die verschillen van die van andere lagen

Bodemvorming

Bodemvorming is het gevolg van een combinatie van biologische, fysische en chemische processen. De bodem zou idealiter 50 procent vast materiaal en 50 procent porieruimte moeten bevatten. Ongeveer de helft van de poriënruimte moet water bevatten, terwijl de andere helft lucht moet bevatten. De organische component van de bodem dient als cementeermiddel, geeft voedingsstoffen terug aan de plant, zorgt ervoor dat de bodem vocht kan opslaan, maakt de bodem bebouwbaar voor landbouw en levert energie voor bodemmicro-organismen. De meeste bodemmicro-organismen, bacteriën, algen of schimmels, slapen in droge grond, maar worden actief zodra er vocht beschikbaar is.

De bodemverdeling is niet homogeen omdat de vorming ervan resulteert in de vorming van lagen; het verticale gedeelte van de grondlagen wordt het bodemprofiel genoemd. Binnen het bodemprofiel definiëren bodemwetenschappers zones die horizonten worden genoemd: een bodemlaag met duidelijke fysische en chemische eigenschappen die verschillen van die van andere lagen. Vijf factoren zijn verantwoordelijk voor bodemvorming: moedermateriaal, klimaat, topografie, biologische factoren en tijd.

Ouder materiaal

Het organische en anorganische materiaal waarin de bodem wordt gevormd, is het moedermateriaal. Minerale bodems worden rechtstreeks gevormd door de verwering van gesteente, het vaste gesteente dat onder de grond ligt; daarom hebben ze een vergelijkbare samenstelling als de originele rots. Andere bodems vormen zich in materialen die van elders komen, zoals zand en ijsverstuiving. Materialen die zich in de diepte van de grond bevinden, zijn relatief onveranderd in vergelijking met het gedeponeerde materiaal. Sedimenten in rivieren kunnen verschillende kenmerken hebben, afhankelijk van of de stroom snel of langzaam beweegt. Een snel bewegende rivier kan sedimenten van rotsen en zand hebben, terwijl een langzaam bewegende rivier materiaal met een fijne textuur kan hebben, zoals klei.

Klimaat

Temperatuur, vocht en wind veroorzaken verschillende verweringpatronen, die de bodemkenmerken beïnvloeden. De aanwezigheid van vocht en voedingsstoffen door verwering zal ook de biologische activiteit bevorderen: een belangrijk onderdeel van een kwaliteitsbodem.

Topografie

Regionale oppervlaktekenmerken (in de volksmond "de ligging van het land" genoemd) kunnen een grote invloed hebben op de kenmerken en vruchtbaarheid van een bodem. Topografie beïnvloedt de afvoer van water, waardoor het moedermateriaal wordt verwijderd en de plantengroei wordt aangetast. Steile bodems zijn meer vatbaar voor erosie en kunnen dunner zijn dan bodems die relatief vlak of vlak zijn.

Biologische factoren

De aanwezigheid van levende organismen heeft grote invloed op de bodemvorming en -structuur. Dieren en micro-organismen kunnen poriën en spleten produceren. Plantenwortels kunnen doordringen in spleten om meer fragmentatie te produceren. Plantaardige afscheidingen bevorderen de ontwikkeling van micro-organismen rond de wortel in een gebied dat bekend staat als de rhizosfeer. Bovendien vallen bladeren en ander materiaal dat van planten valt uiteen en dragen ze bij aan de samenstelling van de bodem.

Tijd

Tijd is een belangrijke factor bij bodemvorming, omdat bodems zich gedurende lange perioden ontwikkelen. Bodemvorming is een dynamisch proces. Materialen worden in de loop van de tijd afgezet, ontleden en transformeren in andere materialen die door levende organismen kunnen worden gebruikt of op het oppervlak van de bodem kunnen worden afgezet.


BODEMBIOLOGIE EN HET LANDSCHAP

Een ongelooflijke diversiteit aan organismen vormen het bodemvoedselweb. Ze variëren in grootte van de kleinste eencellige bacteriën, algen, schimmels en protozoa, tot de meer complexe nematoden en micro-geleedpotigen, tot de zichtbare regenwormen, insecten, kleine gewervelde dieren en planten.

Terwijl deze organismen eten, groeien en door de grond bewegen, maken ze het mogelijk om schoon water, schone lucht, gezonde planten en een gematigde waterstroom te hebben.

Er zijn veel manieren waarop het bodemvoedselweb een integraal onderdeel is van landschapsprocessen. Bodemorganismen ontbinden organische verbindingen, waaronder mest, plantenresten en pesticiden, waardoor ze niet in het water kunnen komen en vervuilend kunnen worden. Ze sekwestreren stikstof en andere voedingsstoffen die anders in het grondwater terecht zouden komen, en ze binden stikstof uit de atmosfeer, waardoor het beschikbaar komt voor planten. Veel organismen verbeteren de bodemaggregatie en porositeit, waardoor de infiltratie toeneemt en de afvoer wordt verminderd. Bodemorganismen jagen op gewasongedierte en zijn voedsel voor bovengrondse dieren.

Het bodemmilieu. Organismen leven in de microschaalomgevingen binnen en tussen bodemdeeltjes. Verschillen over korte afstanden in pH, vocht, poriegrootte en de beschikbare soorten voedsel creëren een breed scala aan habitats.

Krediet: S. Rose en E.T. Elliott. Neem contact op met de Soil and Water Conservation Society via [email protected] voor hulp bij auteursrechtelijk beschermde (gecrediteerde) afbeeldingen.

Het voedselweb: organismen en hun interactie

Het bodemvoedselweb is de gemeenschap van organismen die hun hele leven of een deel van hun leven in de bodem leven. Een voedselwebdiagram toont een reeks conversies (weergegeven door pijlen) van energie en voedingsstoffen terwijl het ene organisme het andere eet.

Alle voedselwebben worden gevoed door de primaire producenten: de planten, korstmossen, mos, fotosynthetische bacteriën en algen die de energie van de zon gebruiken om koolstofdioxide uit de atmosfeer te binden. De meeste andere bodemorganismen krijgen energie en koolstof door de organische verbindingen in planten, andere organismen en afvalbijproducten te consumeren. Een paar bacteriën, chemoautotrofen genaamd, halen energie uit stikstof-, zwavel- of ijzerverbindingen in plaats van koolstofverbindingen of de zon.

Terwijl organismen complexe materialen afbreken of andere organismen consumeren, worden voedingsstoffen van de ene vorm in de andere omgezet en komen ze beschikbaar voor planten en andere bodemorganismen. Alle planten - gras, bomen, struiken, landbouwgewassen - zijn voor hun voeding afhankelijk van het voedselweb.

Wat doen bodemorganismen?

Groeien en reproduceren zijn de primaire activiteiten van alle levende organismen. Omdat individuele planten en bodemorganismen werken om te overleven, zijn ze afhankelijk van interacties met elkaar. Bijproducten van groeiende wortels en plantenresten voeden bodemorganismen. Op hun beurt ondersteunen bodemorganismen de gezondheid van planten omdat ze organisch materiaal afbreken, voedingsstoffen in de cyclus brengen, de bodemstructuur verbeteren en de populaties van bodemorganismen, inclusief ongedierte, onder controle houden.

Organische stof voedt het voedselweb

Organische stof bestaat uit veel verschillende soorten verbindingen - sommige nuttiger voor organismen dan andere. Over het algemeen bestaat organische stof in de bodem uit ongeveer gelijke delen humus en actieve organische stof. Actieve organische stof is het deel dat beschikbaar is voor bodemorganismen. Bacteriën hebben de neiging om eenvoudiger organische verbindingen te gebruiken, zoals wortelexudaten of verse plantenresten. Schimmels hebben de neiging om complexere verbindingen te gebruiken, zoals vezelachtige plantenresten, hout en bodemhumus.

Intensieve grondbewerking veroorzaakt spurten van activiteit bij bacteriën en andere organismen die organische stof consumeren (omzetten in CO2), waarbij eerst de actieve fractie wordt uitgeput. Praktijken die organische stof in de bodem opbouwen (verminderde grondbewerking en regelmatige toevoegingen van organisch materiaal) zullen het aandeel actieve organische stof verhogen lang voordat de toename van de totale organische stof kan worden gemeten. Naarmate het gehalte aan organische stof in de bodem stijgt, spelen bodemorganismen een rol bij de omzetting ervan in humus - een relatief stabiele vorm van koolstof die decennia of zelfs eeuwenlang in de bodem wordt vastgehouden.

Organische stof in de bodem is de opslagplaats voor de energie en voedingsstoffen die door planten en andere organismen worden gebruikt. Bacteriën, schimmels en andere bodembewoners transformeren en maken voedingsstoffen vrij uit organisch materiaal. Deze microshredders, onrijpe oribatide mijten, skeletoniseren plantenbladeren. Dit start de nutriëntenkringloop van koolstof, stikstof en andere elementen.

Credit: Roy A. Norton, College of Environmental Science & Forestry, State University of New York. Neem contact op met de Soil and Water Conservation Society via [email protected] voor hulp bij auteursrechtelijk beschermde (gecrediteerde) afbeeldingen.

Voedselbronnen voor bodemorganismen

Onder organische stof in de bodem vallen alle organische stoffen in of op de bodem. Hier zijn termen die worden gebruikt om verschillende soorten organisch materiaal te beschrijven.

  • Levende organismen: Bacteriën, schimmels, nematoden, protozoa, regenwormen, geleedpotigen en levende wortels.
  • Dood plantaardig materiaal organisch materiaal detritus oppervlakteresidu: Al deze termen verwijzen naar planten, dieren of andere organische stoffen die recentelijk aan de bodem zijn toegevoegd en die pas tekenen van bederf beginnen te vertonen. Detritivoren zijn organismen die zich voeden met dergelijk materiaal.
  • Actieve fractie organische stof: Organische verbindingen die door micro-organismen als voedsel kunnen worden gebruikt. De actieve fractie verandert sneller dan de totale organische stof als reactie op managementveranderingen.
  • Labiele organische stof: Organische stof die gemakkelijk wordt afgebroken.
  • Wortelexsudaten: Oplosbare suikers, aminozuren en andere verbindingen die door wortels worden uitgescheiden.
  • Deeltjes organische stof (POM) of lichte fractie (LF) organische stof: POM en LF hebben nauwkeurige maat- en gewichtsdefinities. Men denkt dat ze de actieve fractie van organisch materiaal vertegenwoordigen, die moeilijker te definiëren is. Omdat POM of LF groter en lichter is dan andere soorten organische stof in de bodem, kunnen ze op grootte (met een zeef) of op gewicht (met een centrifuge) van de bodem worden gescheiden.
  • Lignine: Een moeilijk afbreekbare verbinding die deel uitmaakt van de vezels van oudere planten. Schimmels kunnen de koolstofringstructuren in lignine als voedsel gebruiken.
  • Weerbarstige organische stof: Organische stof zoals humus of ligninehoudend materiaal dat weinig bodemorganismen kunnen afbreken.
  • Humus of gehumificeerde organische stof: Complexe organische verbindingen die overblijven nadat veel organismen het oorspronkelijke materiaal hebben gebruikt en getransformeerd. Humus wordt niet gemakkelijk afgebroken omdat het ofwel fysiek wordt beschermd in aggregaten of chemisch te complex is om door de meeste organismen te worden gebruikt. Humus is belangrijk bij het binden van kleine bodemaggregaten en verbetert het vermogen om water en voedingsstoffen vast te houden.

Waar leven bodemorganismen?

De organismen van het voedselweb zijn niet gelijkmatig over de bodem verdeeld. Elke soort en groep bestaat waar ze geschikte ruimte, voedingsstoffen en vocht kunnen vinden. Ze komen overal voor waar organisch materiaal voorkomt - meestal in de bovenste centimeters van de bodem (zie onderstaande grafiek), hoewel microben tot wel 16 km diep in oliebronnen zijn gevonden. Bodemorganismen zijn geconcentreerd:

Rond wortels. De rhizosfeer is het smalle gebied van de grond direct rond de wortels. Het wemelt van de bacteriën die zich voeden met afgestorven plantencellen en de eiwitten en suikers die door wortels vrijkomen. De protozoa en nematoden die op bacteriën grazen, zijn ook geconcentreerd in de buurt van wortels. Een groot deel van de nutriëntenkringloop en ziekteonderdrukking die planten nodig hebben, vindt dus direct naast de wortels plaats.

In zwerfvuil. Schimmels zijn veel voorkomende afbrekers van plantenstrooisel omdat strooisel grote hoeveelheden complexe, moeilijk afbreekbare koolstof bevat. Schimmelhyfen (fijne filamenten) kunnen stikstof vanuit de onderliggende grond naar de strooisellaag 'pijpen'. Bacteriën kunnen geen stikstof transporteren over afstanden, waardoor schimmels een voordeel hebben bij de afbraak van strooisel, vooral wanneer strooisel niet in het bodemprofiel wordt gemengd. Bacteriën zijn echter overvloedig aanwezig in het groene strooisel van jongere planten, dat hoger is in stikstof en eenvoudiger koolstofverbindingen dan het strooisel van oudere planten. Bacteriën en schimmels hebben toegang tot een groter oppervlak van plantenresten nadat shredderorganismen zoals regenwormen, bladetende insecten, miljoenpoten en andere geleedpotigen het strooisel in kleinere brokken breken.

Op humus. Schimmels komen hier veel voor. Veel organische stof in de bodem is al vele malen afgebroken door bacteriën en schimmels en/of door de ingewanden van regenwormen of geleedpotigen gegaan. De resulterende humusverbindingen zijn complex en hebben weinig beschikbare stikstof. Alleen schimmels maken een deel van de enzymen die nodig zijn om de complexe verbindingen in humus af te breken.

Op het oppervlak van bodemaggregaten. De biologische activiteit, in het bijzonder die van aërobe bacteriën en schimmels, is groter nabij het oppervlak van bodemaggregaten dan binnen aggregaten. Binnen grote aggregaten kunnen processen optreden die geen zuurstof nodig hebben, zoals denitrificatie. Veel aggregaten zijn eigenlijk de fecale pellets van regenwormen en andere ongewervelde dieren.

In ruimtes tussen bodemaggregaten. Die geleedpotigen en nematoden die niet door de grond kunnen graven, bewegen in de poriën tussen bodemaggregaten. Organismen die gevoelig zijn voor uitdroging, zoals protozoa en veel nematoden, leven in met water gevulde poriën.

Bacteriën zijn overvloedig aanwezig rond deze wortelpunt (de rhizosfeer) waar ze de overvloedige eenvoudige organische stoffen afbreken.

Krediet: nr. 53 van de set bodemmicrobiologie en biochemie. 1976 J.P. Martin, et al., eds. SSSA, Madison WI. Neem contact op met de Soil and Water Conservation Society via [email protected] voor hulp bij auteursrechtelijk beschermde (gecrediteerde) afbeeldingen.

Wanneer zijn ze actief?

De activiteit van bodemorganismen volgt zowel seizoenspatronen als dagelijkse patronen. In gematigde systemen vindt de grootste activiteit plaats in het late voorjaar, wanneer de temperatuur en vochtigheid optimaal zijn voor groei. Bepaalde soorten zijn echter het meest actief in de winter, andere tijdens droge perioden en weer andere in overstroomde omstandigheden.

Niet alle organismen zijn op een bepaald moment actief. Zelfs tijdens perioden van hoge activiteit is slechts een fractie van de organismen druk bezig met eten, ademen en het veranderen van hun omgeving. Het resterende deel is nauwelijks actief of zelfs slapend.

Veel verschillende organismen zijn op verschillende tijdstippen actief en hebben interactie met elkaar, met planten en met de bodem. Het gecombineerde resultaat is een aantal gunstige functies, waaronder nutriëntenkringloop, gematigde waterstroom en ongediertebestrijding.

Het belang van het bodemvoedselweb

De levende component van de bodem, het voedselweb, is complex en kent verschillende samenstellingen in verschillende ecosystemen. Het beheer van akkers, weidegronden, bosgebieden en tuinen profiteert van en beïnvloedt het voedselweb. Het volgende onderdeel van de Soil Biology Primer, The Food Web & Soil Health, introduceert de relatie tussen bodembiologie en landbouwproductiviteit, biodiversiteit, koolstofvastlegging en lucht- en waterkwaliteit. De overige zes eenheden van de Soil Biology Primer beschrijven de belangrijkste groepen bodemorganismen: bacteriën, schimmels, protozoa, nematoden, geleedpotigen en regenwormen.


Het bodemprofiel

Naarmate bodems zich in de loop van de tijd ontwikkelen, vormen lagen (of horizonten) een bodemprofiel.

De meeste bodemprofielen bedekken de aarde als 2 hoofdlagen&mdashtopbodem en ondergrond.

Bodemhorizonten zijn de lagen in de bodem terwijl u door het bodemprofiel naar beneden beweegt. Een bodemprofiel kan bodemhorizons hebben die gemakkelijk of moeilijk te onderscheiden zijn.

De meeste bodems vertonen 3 hoofdhorizonten:

  • een horizon&mdashhumusrijke bovengrond waar nutriënten, organische stof en biologische activiteit het hoogst zijn (d.w.z. de meeste plantenwortels, regenwormen, insecten en micro-organismen zijn actief). De A-horizon is meestal donkerder dan andere horizonten vanwege de organische materialen.
  • B horizon&mdashkleirijke ondergrond. Deze horizon is vaak minder vruchtbaar dan de bovengrond, maar houdt meer vocht vast. Het heeft over het algemeen een lichtere kleur en minder biologische activiteit dan de A-horizon. Textuur kan ook zwaarder zijn dan de A-horizon.
  • C horizon&mdashonderliggende verweerde rots (waaruit de A- en B-horizonten worden gevormd).

Sommige bodems hebben ook een o horizon voornamelijk bestaande uit plantenstrooisel dat zich op het bodemoppervlak heeft opgehoopt.

De eigenschappen van horizonten worden gebruikt om onderscheid te maken tussen bodems en om het potentieel voor landgebruik te bepalen.


Ouder materiaal

Het organische en anorganische materiaal waarin de bodem wordt gevormd, is het moedermateriaal. Minerale bodems worden rechtstreeks gevormd door de verwering van gesteente, het vaste gesteente dat onder de grond ligt, en daarom hebben ze een vergelijkbare samenstelling als het oorspronkelijke gesteente. Andere bodems vormen zich in materialen die van elders komen, zoals zand en ijsverstuiving. Materialen die zich in de diepte van de grond bevinden, zijn relatief onveranderd in vergelijking met het gedeponeerde materiaal. Sedimenten in rivieren kunnen verschillende kenmerken hebben, afhankelijk van of de stroom snel of langzaam beweegt. Een snel bewegende rivier kan sedimenten van rotsen en zand bevatten, terwijl een langzaam bewegende rivier materiaal met een fijne textuur kan hebben, zoals klei.


Bodembeheer en gezondheid

Vijf factoren van bodemvorming
Moedermateriaal, klimaat, biota (organismen), topografie en tijd wisselden samen om meer dan 1.100 bodems in Minnesota te vormen. De verschillende eigenschappen van deze bodems hebben een grote impact op de manier waarop ze het best beheerd kunnen worden.

Grondorders en suborders in Minnesota
Wanneer producenten de grond waarmee ze werken begrijpen, kunnen ze betere beslissingen nemen over teeltsystemen en bemesting en waterbeheer.

  • Begrijp de voordelen van organische stof in de bodem (SOM) en hoe deze te vergroten.
  • Ontdek hoe SOM de productiviteit van gewassen beïnvloedt.
  • Leer hoe bodemmicro-organismen bijdragen aan de gezondheid van de bodem en de productiviteit van gewassen.
  • Meer informatie over managementpraktijken die de microbiële activiteit verhogen.

Kunnen bodemgezondheidstests de behoefte aan bemesting bepalen?
Bodemgezondheidstests kunnen nuttig zijn om beheerpraktijken te vergelijken, maar ze zijn niet gekalibreerd voor de voedingsbehoeften van gewassen.

Grondbewerkingssystemen

Gids voor grondbewerking in het Middenwesten

De Upper Midwest Tillage Guide is een samenwerking tussen University of Minnesota Extension en North Dakota State University.


    Deel 1 verkent de voordelen van grondbewerking vanuit historisch perspectief.
    Deel II beschrijft uitrustingscomponenten, diepte van de grondbewerking en typische residudekkingen voor verschillende grondbewerkingswerktuigen.
    Verhoogde bodemstructuur, organische stof en verminderde bodemerosie zijn enkele van de vele voordelen van verminderde grondbewerking die in deel III worden besproken.
    Deel IV gaat in op gewasopbrengsten en grondbewerkingskosten van verschillende grondbewerkingssystemen.

Vergelijking op het landbouwbedrijf: Conserverende grondbewerkingssystemen
Leer hoe verschillende grondbewerkingssystemen residu, plantpopulaties en opbrengsten beïnvloeden.

Herfstbewerking in natte bodemomstandigheden
Strategieën om bodemverdichting en vegen te verminderen bij hevige herfstneerslag.

Bodemproductiviteit op peil houden

Bodemerosie verlaagt uw winst en vermindert de productiviteit door een niet-hernieuwbare hulpbron te verwijderen. Leer hoe u winderosie kunt verminderen voor winstgevendheid op de lange termijn:

  • Waarom winderosie belangrijk is in Minnesota
  • Belangrijkste factoren en effecten van winderosie
  • Hoe winderosie te verminderen?

Inklinking van grond
Ontdek wat bodemverdichting veroorzaakt en hoe dit de groei en opbrengst van gewassen beïnvloedt. Pas beheerpraktijken toe die verdichting tot een minimum beperken.

Videoserie over bodemverdichting

1. Bodemverdichting - Leer over de effecten van bodemverdichting en beheerstrategieën om deze te minimaliseren.

3. Rupsbanden en banden - Leer hoe u het wielverkeer kunt beheren en hoe u banden op de juiste manier kunt oppompen om bodemverdichting te verminderen.

2. Bodemstructuur: Een natuurlijke verdediging tegen bodemverdichting - Leer hoe bodemaggregaten een sterke, veerkrachtige bodem creëren.

4. Juiste bandenspanning - Leer hoe u de beste prestaties uit uw tractorbanden haalt.


Vijf factoren van bodemvorming

Wetenschappers schrijven bodemvorming toe aan de volgende factoren: uitgangsmateriaal, klimaat, biota(organismen), topografie en tijd.

Deze factoren werken samen om meer dan 1.108 verschillende bodemreeksen in Minnesota te vormen. De fysische, chemische en biologische eigenschappen van de verschillende bodems kunnen een groot effect hebben op hoe ze het beste kunnen worden beheerd.

De vijf factoren

Minnesota is een land van geologisch jonge bodems met veel verschillende uitgangsmaterialen (Figuur 1). De gemeenschappelijke factor tussen de bodems in Minnesota is dat ze werden gevormd door de laatste gletsjer in het noorden van de Verenigde Staten, 11.000 tot 14.000 jaar geleden.

Dit lijkt misschien een lange tijd, maar wordt als recent beschouwd in de context van bodemvorming en geologie. Figuur 1 somt vijf belangrijke uitgangsmaterialen op: Till, löss, lacustrine, outwash en till over gesteente.

Till overheerst in de zuid-centrale, west-centrale en zuidwestelijke delen van de staat. Toen de laatste gletsjer aan het smelten was, werden deze materialen afgezet.

Bodems gevormd in dit materiaal hebben over het algemeen slibachtige klei-leem tot slibachtige kleitexturen, veel verschillende rotsafmetingen en slechte interne drainage. De slechte drainage heeft een grote invloed op het stikstofbeheer en culturele praktijken.

Löss

Löss is door de wind geblazen materiaal ter grootte van slib dat is afgezet nadat de gletsjer is gesmolten. Deze slibafzettingen kunnen in diepte variëren van enkele centimeters tot vele meters. Bodems gevormd in löss hebben over het algemeen slibleemtexturen en geen rotsen.

De meeste bodems gevormd in löss komen voor in het zuidoosten van Minnesota, waar de löss-afzettingen zich op kalksteen of zandsteen bevinden. Vanwege de poreuze staat van de onderliggende materialen in het zuidoosten van Minnesota, zijn de bodems over het algemeen goed gedraineerd.

Löss in het zuidwesten van Minnesota wordt afgezet boven ijsberg. Bodems gevormd in dit materiaal zijn over het algemeen slecht gedraineerd en gedragen zich op dezelfde manier als bodems gevormd in gletsjers. Erosie is een grote zorg voor deze bodems vanwege de slibleemtextuur. Residubeheer wordt een belangrijke factor bij het handhaven van een hoge productiviteit.

Lacustrine

Lacustriene moedermaterialen zijn het resultaat van sediment dat is afgezet in meren gevormd door gletsjersmeltwater. De meren bestonden zo lang dat de grote deeltjes, zoals rotsen en zand, onmiddellijk werden afgezet nadat het meer was gevormd, terwijl de kleinere deeltjes ter grootte van klei later werden afgezet.

Een voorbeeld is de bodem gevormd onder Glacial Lake Agassiz in het noordwesten van Minnesota en het oosten van North Dakota (Red River Valley of the North). Bodems gevormd in lacustriene afzettingen hebben klei, kleileem en slibachtige kleileemtexturen, slechte interne drainage en geen rotsen. Veel bodems in het noordwesten van Minnesota werden gevormd in lacustrien materiaal.

Uitwassen

Outwash is materiaal dat aan de randen van snelstromende rivieren wordt afgezet door het smeltende ijs van terugtrekkende gletsjers. Dit omvat rotsen, grind, zand en andere materialen die groot genoeg zijn om uit de waterstroom te vallen, terwijl de rivierstroom kleinere deeltjes bleef transporteren.

Bodems gevormd in outwash zijn buitengewoon goed gedraineerd en hebben zand- en zandige leemtexturen. Voorbeelden van Minnesota-gebieden met bodems gevormd in outwash zijn de Anoka Sand Plain, North Central Sands en Bonanza Valley-regio's in respectievelijk oost-centraal, noord-centraal en centraal Minnesota.

Tot over de bodem

Tot gesteenteafzettingen optreden in het noordoosten van Minnesota. Materialen van de gletsjer werden afgezet boven gesteente, vergelijkbaar met zuid-centraal Minnesota, maar met materiaal van ander gletsjerijs.

Er zijn ook aanzienlijke bodemgebieden die rechtstreeks uit gesteente zijn gevormd. Deze bodems zijn meestal ondiep en worden niet op grote schaal gebruikt voor de productie van gewassen.

Temperatuur en neerslag

Temperatuur en neerslag beïnvloeden hoe snel het uitgangsmateriaal weert en daarmee bodemeigenschappen zoals minerale samenstelling en organisch stofgehalte.

Temperatuur heeft direct invloed op de snelheid van chemische reacties. Hoe warmer de temperatuur, hoe sneller reacties plaatsvinden. Temperatuurschommelingen verhogen de fysieke verwering van rotsen.

Neerslag regelt de waterbeweging in de bodem. De hoeveelheid water die de bodem ontvangt en de hoeveelheid verdamping die optreedt, beïnvloeden de waterbeweging. De normale jaarlijkse neerslag in Minnesota is met 16 inch het minst in de noordwestelijke hoek en neemt toe naarmate je naar de zuidoostelijke hoek gaat, waar 34 inch de normale jaarlijkse neerslag is (Figuur 2).

Verdamping

Verdamping is de combinatie van water dat van het bodemoppervlak is verdampt en water dat wordt uitgescheiden door groeiende planten. Naarmate de luchttemperatuur stijgt, neemt de verdamping toe. Hoge verdamping ten opzichte van neerslag betekent dat er minder water beschikbaar is om door de bodem te bewegen.

In Minnesota vindt de grootste verdamping plaats in het zuidwestelijke deel van de staat en neemt af naarmate je naar de noordoostelijke hoek gaat.

Vochtindex

Een uitloogindex of vochtindex (Figuur 3) wordt berekend door verdamping af te trekken van neerslag. Deze index is een indicator van de gemiddelde bodemvochtigheid.

Hoe groter de index, hoe meer bodemvocht er aanwezig is. Hoger bodemvocht verhoogt de chemische verwering en verplaatst mineralen, zoals basen, dieper in het bodemprofiel. Dit heeft gevolgen voor beheerpraktijken zoals drainage en invoer van mobiele nutriënten.

Biotische middelen hebben het bodemvormingsproces sterk beïnvloed. Deze omvatten organismen die in de bodem leven, zoals bacteriën en gophers, en vegetatie die op het oppervlak groeit.

Bodemorganismen

Organismen in de bodem kunnen de bodemvorming versnellen of vertragen. Micro-organismen kunnen bijvoorbeeld chemische reacties vergemakkelijken of organische stoffen uitscheiden om de waterinfiltratie in de bodem te verbeteren. Andere organismen zoals gophers vertragen de bodemvorming door te graven en bodemmaterialen te mengen en bodemhorizons die zich hebben gevormd te vernietigen.

Vegetatie

Minnesota bodems zijn gevormd onder twee belangrijke soorten vegetatie: bos en prairie.

Bodems gevormd onder bossen hebben de neiging om meer verweerd te zijn (ouder in termen van bodem) omdat bossen groeien in gebieden met meer regen. Er is meer waterbeweging in de wortelzone en er wordt minder organisch materiaal gevormd.

Bodems gevormd in de prairie bevinden zich meestal in gebieden met minder neerslag. Grassen hebben de neiging om het aanwezige vocht te gebruiken, waardoor de waterbeweging door het bodemprofiel wordt verminderd. Organische stof vormt zich in grote hoeveelheden en dieper in het bodemoppervlak dan bosbodems.

Regionale verschillen in vegetatie

Figuur 4 toont de verschillende vegetaties waarin de bodem is gevormd. De bodems in de zuidwestelijke, zuid-centrale en westelijke delen van de staat werden gevormd in de prairie. De bodems in het noordoostelijke deel van de staat werden gevormd onder bosvegetatie.

De savanne tussen het bos en de prairie is een overgangsgebied dat bekend staat als een ecotone. Prairie- en bosvegetatie bestond in dit gebied en wisselde tussen bos en prairie naarmate het klimaat in de loop van de tijd veranderde. Bosvegetatie zou in nattere klimaten de prairie binnensluipen, terwijl gebeurtenissen zoals branden beboste gebieden veranderden in prairie.

Helling en aspect zijn twee topografische kenmerken die de bodemvorming beïnvloeden.

Helling

Helling verwijst naar steilheid (in graden of procent) ten opzichte van horizontaal, wat van invloed is op hoeveel bodemmateriaal wordt afgezet of geërodeerd. Vlakke grond is het meest ontwikkeld, omdat het geen materiaal verliest of wint. Het is de verandering in materiaal die het bodemvormingsproces vertraagt.

Aspect

Aspect is de richting van de helling ten opzichte van de zon (kompasrichting), die invloed heeft op de hoeveelheid water die door de grond beweegt.

De noordkant heeft de neiging om meer water te hebben omdat er minder verdamping is en daardoor mogelijk meer vegetatie. Bovendien vertragen de koudere bodemtemperaturen in het noorden de chemische processen in de bodem. Een bodem met een zuidelijk aspect heeft de neiging om grasvegetatie, warmere bodemtemperaturen en meer verdamping te hebben.

Het netto-effect is meer bodemveroudering met een noordelijk aspect dan een bodem met een zuidelijk aspect, zelfs bij lagere bodemtemperaturen.

Bodems in een landschap

In een landschap wordt een opeenvolging van bodems met verschillende horizonten veroorzaakt door verschillen in diepte tot de grondwaterspiegel een catena genoemd.

Een catena bestaat normaal gesproken uit vier bodemreeksen, met bodems die zich op de top, schouder, rughelling en voethelling bevinden, zoals weergegeven in figuur 5.

Afvoer en grondwaterstand

Voor elke bodemreeks, hier is hoe drainage wordt gekenmerkt en hoe diep de grondwaterspiegel is:

Top: goed gedraineerd, met de grondwaterspiegel meer dan 1,20 meter onder het oppervlak.

Schouder: Matig goed gedraineerd, met de grondwaterspiegel tussen 3 en 4 voet onder het oppervlak.

Backslope: Enigszins slecht gedraineerd, met de grondwaterspiegel tussen de 2 en 3 voet onder het oppervlak.

Voethelling: slecht gedraineerd, met de grondwaterspiegel minder dan 2 voet onder het oppervlak.

Ontwikkelingsleeftijd

In deze groep bodems zijn de top en de rughelling het meest ontwikkeld. Als de achterhelling een helling heeft van meer dan 20 procent, zal deze eroderen en minder ontwikkeld zijn dan de top. De top is vlak, dus er is geen erosie om de bodemontwikkeling te vertragen.

De schouder is geërodeerd, waardoor de ontwikkeling wordt vertraagd. De ontwikkeling vertraagt ​​ook met de voethelling omdat deze onderhevig is aan een aanzienlijke hoeveelheid bodemafzetting. Slechte drainage vertraagt ​​​​de ontwikkeling verder, omdat water niet door de grond beweegt en de bodemtemperatuur vaak koeler is.

De voethellinggrond in een catena is over het algemeen de minst ontwikkelde of jongste in de groep. Een voorbeeld van een catena in Minnesota bestaat uit de bodemreeksen Clarion, Nicollet, Webster en Glencoe.

Tijd is de vijfde factor in bodemvorming. Na verloop van tijd werken vegetatie en klimaat op oudermateriaal en topografie. Ontwikkeling, niet chronologische leeftijd, bepaalt de leeftijd van een bodem.

De mate van veroudering is afhankelijk van de intensiteit van de overige vier bodemvormende factoren. Factoren die de bodemvorming vertragen, zijn onder meer:

Hoog kalkgehalte in uitgangsmateriaal.

Hoog kwartsgehalte in uitgangsmateriaal.

Hoog kleigehalte in uitgangsmateriaal.

Hard rock moedermateriaal (bestand tegen weersinvloeden).

Voortdurende depositie, ophoping en vermenging door dier of mens.

Bodemhorizonten en series

Deze vijf bodemvormende factoren hebben verschillende invloeden, waardoor verschillende bodemhorizons ontstaan.

Wetenschappers gebruiken de verschillen of overeenkomsten van bodemhorizons om vergelijkbare bodems in bodemreeksen te categoriseren. De eigenschappen van elke bodemreeks zijn van invloed op beslissingen over bodembeheer.

Bodemhorizonten zijn horizontale banden of lagen in het bodemprofiel. De belangrijkste horizonten, masterhorizons genoemd, zijn O, A, E, B, C en R.

Horizonten en kenmerken

De O-horizon is een organische horizon met weinig mineraal materiaal. Het is te vinden in bosbodems, wanneer bladeren of naalden die op de grond vallen een dunne organische laag vormen. In oude zeggegebieden en veenmoerassen kan de organische horizon 30 tot 60 inch dik zijn. De rest van de horizonten bestaat voornamelijk uit minerale materialen.

De A-horizon bevindt zich normaal gesproken aan het oppervlak. Het is een zone van ophoping van organisch materiaal, met tot 10 procent organisch materiaal. Door de organische stof is het donkerder van kleur. In een goede grond is de bodemstructuur korrelig.

De E-horizon wordt normaal gesproken gevonden in boslandschappen. Het wordt gevonden aan de horizon net onder de A-horizon, waar de organische stof, kleideeltjes en andere chemicaliën zijn ingebracht. E-horizonten zijn meestal lichtgekleurd (grijs tot wit) en hebben een platachtige structuur.

De B-horizon is een ondergrondse horizon die een zone van accumulatie is. It accumulates material including clay, organic matter and other chemicals. The B horizon usually has a blocky structure.

The C horizon is a zone in the subsoil that has little structure or little development. In many Minnesota soils, the C horizon is similar to the parent material.

The final master horizon is the R horizon, which is made of rock.

Developmental age

The number of horizons in a soil is indicative of its developmental age. Minnesota soils are young compared to the rest of the world—only 10,000 to 14,000 years old. Soils formed under forest vegetation in Minnesota tend to be more developed than soils developed under prairie.

Forest soils typically have A, E, B and C horizons, and you’ll usually see them in the northeastern and southeastern parts of the state. If the soils have been farmed, the E horizon may be destroyed, but the organic matter content will be lower.

Prairie soils generally have a thick, dark A horizon (greater than 10 inches), as well as B and C horizons. These soils are found in the southern and western parts of Minnesota. Soils formed on the state’s sand plains have an A and C horizon, and sometimes a weakly formed B horizon.

A soil profile is a vertical exposure of the soil that reveals the combination and types of horizons. The combination of master horizons, thickness of the horizons, and sequence in which they occur in the profile can cause different chemical, biological and physical properties in each soil.

Soils with similar profile characteristics are grouped together into named soil series. Knowing the different soil series allows you to group or separate them for management purposes.

Example: Management differences

The master horizons for the two soils in Figure 6 differ in thickness. The soil on the left was formed in a footslope position of the landscape. It has a very thick A horizon, a thin B horizon and a water-saturated C horizon.

The soil on the right was formed on the slope’s shoulder. Even though it’s only 400 feet from the soil on the left, it has much different soil horizons. The soil on the right has a thinner A horizon and a thicker B horizon than the soil on the left. The water table is much deeper in the profile, indicating a better-drained soil on the right than on the left.

Because these soils formed differently, you should manage them differently. An example of management differences could be that the soil on the left should be tile-drained for optimum crop production, while the soil on the right may not need tile drainage.


Soil Classification

Soil Taxonomy

Soil Taxonomy - principal reference to soil classification.

Keys to Soil Taxonomy - taxonomic keys for field classification.

Soil Series

Links to Official Soil Series Descriptions (OSD), Soil Series Classification Database (SC), SC/OSD Maintenance Tool, and Soil Classification Report Tool have been moved to Tools & Data.

Model

Java Newhall Simulation Model (jNSM) &ndash A traditional soil climate simulation model (software, user&rsquos guide, and sample datasets)

Historical Documents

Media Files

Other Classification Systems

Universal Soil Classification System - a Working Group under Commission 1.4 (Soil Classification) which is part of Division 1 (Soil in Space and Time) of the International Union of Soil Sciences (IUSS )

World Reference Base (WRB) - The WRB, along with Soil Taxonomy, serve as international standards for soil classification. The WRB system is endorsed by the International Union of Soil Sciences and developed by an international collaboration coordinated by the IUSS Working Group. The WRB borrows heavily from modern soil classification concepts, including Soil Taxonomy, the legend for the FAO Soil Map of the World 1988, the Référentiel Pédologique, and Russian concepts.


166 The Soil

Aan het einde van dit gedeelte kunt u het volgende doen:

  • Describe how soils are formed
  • Explain soil composition
  • Describe a soil profile

Plants obtain inorganic elements from the soil, which serves as a natural medium for land plants. Soil is the outer loose layer that covers the surface of Earth. Soil quality is a major determinant, along with climate, of plant distribution and growth. Soil quality depends not only on the chemical composition of the soil, but also the topography (regional surface features) and the presence of living organisms. In agriculture, the history of the soil, such as the cultivating practices and previous crops, modify the characteristics and fertility of that soil.

Soil develops very slowly over long periods of time, and its formation results from natural and environmental forces acting on mineral, rock, and organic compounds. Soils can be divided into two groups: organic soils are those that are formed from sedimentation and primarily composed of organic matter, while those that are formed from the weathering of rocks and are primarily composed of inorganic material are called mineral soils . Mineral soils are predominant in terrestrial ecosystems, where soils may be covered by water for part of the year or exposed to the atmosphere.

Soil Composition

Soil consists of these major components ((Figure)):

  • inorganic mineral matter, about 40 to 45 percent of the soil volume
  • organic matter, about 5 percent of the soil volume
  • water and air, about 50 percent of the soil volume

The amount of each of the four major components of soil depends on the amount of vegetation, soil compaction, and water present in the soil. A good healthy soil has sufficient air, water, minerals, and organic material to promote and sustain plant life.


Soil compaction can result when soil is compressed by heavy machinery or even foot traffic. How might this compaction change the soil composition?

<!–<para air content of the soil decreases.–>

The organic material of soil, called humus , is made up of microorganisms (dead and alive), and dead animals and plants in varying stages of decay. Humus improves soil structure and provides plants with water and minerals. The inorganic material of soil consists of rock, slowly broken down into smaller particles that vary in size. Soil particles that are 0.1 to 2 mm in diameter are sand . Soil particles between 0.002 and 0.1 mm are called silt , and even smaller particles, less than 0.002 mm in diameter, are called clay . Some soils have no dominant particle size and contain a mixture of sand, silt, and humus these soils are called loams .

Explore this interactive map from the USDA’s National Cooperative Soil Survey to access soil data for almost any region in the United States.

Soil Formation

Soil formation is the consequence of a combination of biological, physical, and chemical processes. Soil should ideally contain 50 percent solid material and 50 percent pore space. About one-half of the pore space should contain water, and the other half should contain air. The organic component of soil serves as a cementing agent, returns nutrients to the plant, allows soil to store moisture, makes soil tillable for farming, and provides energy for soil microorganisms. Most soil microorganisms—bacteria, algae, or fungi—are dormant in dry soil, but become active once moisture is available.

Soil distribution is not homogenous because its formation results in the production of layers together, the vertical section of a soil is called the soil profile . Within the soil profile, soil scientists define zones called horizons. A horizon is a soil layer with distinct physical and chemical properties that differ from those of other layers. Five factors account for soil formation: parent material, climate, topography, biological factors, and time.

Parent Material

The organic and inorganic material in which soils form is the parent material . Mineral soils form directly from the weathering of bedrock , the solid rock that lies beneath the soil, and therefore, they have a similar composition to the original rock. Other soils form in materials that came from elsewhere, such as sand and glacial drift. Materials located in the depth of the soil are relatively unchanged compared with the deposited material. Sediments in rivers may have different characteristics, depending on whether the stream moves quickly or slowly. A fast-moving river could have sediments of rocks and sand, whereas a slow-moving river could have fine-textured material, such as clay.

Klimaat

Temperature, moisture, and wind cause different patterns of weathering and therefore affect soil characteristics. The presence of moisture and nutrients from weathering will also promote biological activity: a key component of a quality soil.

Topography

Regional surface features (familiarly called “the lay of the land”) can have a major influence on the characteristics and fertility of a soil. Topography affects water runoff, which strips away parent material and affects plant growth. Steeps soils are more prone to erosion and may be thinner than soils that are relatively flat or level.

Biologische factoren

The presence of living organisms greatly affects soil formation and structure. Animals and microorganisms can produce pores and crevices, and plant roots can penetrate into crevices to produce more fragmentation. Plant secretions promote the development of microorganisms around the root, in an area known as the rhizosphere . Additionally, leaves and other material that fall from plants decompose and contribute to soil composition.

Time is an important factor in soil formation because soils develop over long periods. Soil formation is a dynamic process. Materials are deposited over time, decompose, and transform into other materials that can be used by living organisms or deposited onto the surface of the soil.

Physical Properties of the Soil

Soils are named and classified based on their horizons. The soil profile has four distinct layers: 1) O horizon 2) A horizon 3) B horizon, or subsoil and 4) C horizon, or soil base ((Figure)). The O horizon has freshly decomposing organic matter—humus—at its surface, with decomposed vegetation at its base. Humus enriches the soil with nutrients and enhances soil moisture retention. Topsoil—the top layer of soil—is usually two to three inches deep, but this depth can vary considerably. For instance, river deltas like the Mississippi River delta have deep layers of topsoil. Topsoil is rich in organic material microbial processes occur there, and it is the “workhorse” of plant production. The A horizon consists of a mixture of organic material with inorganic products of weathering, and it is therefore the beginning of true mineral soil. This horizon is typically darkly colored because of the presence of organic matter. In this area, rainwater percolates through the soil and carries materials from the surface. The B horizon is an accumulation of mostly fine material that has moved downward, resulting in a dense layer in the soil. In some soils, the B horizon contains nodules or a layer of calcium carbonate. The C horizon , or soil base, includes the parent material, plus the organic and inorganic material that is broken down to form soil. The parent material may be either created in its natural place, or transported from elsewhere to its present location. Beneath the C horizon lies bedrock.


Which horizon is considered the topsoil, and which is considered the subsoil?

<!–<para A horizon is the topsoil, and the B horizon is subsoil.–>

Some soils may have additional layers, or lack one of these layers. The thickness of the layers is also variable, and depends on the factors that influence soil formation. In general, immature soils may have O, A, and C horizons, whereas mature soils may display all of these, plus additional layers ((Figure)).


Soil Scientist A soil scientist studies the biological components, physical and chemical properties, distribution, formation, and morphology of soils. Soil scientists need to have a strong background in physical and life sciences, plus a foundation in mathematics. They may work for federal or state agencies, academia, or the private sector. Their work may involve collecting data, carrying out research, interpreting results, inspecting soils, conducting soil surveys, and recommending soil management programs.


Many soil scientists work both in an office and in the field. According to the United States Department of Agriculture (USDA): “a soil scientist needs good observation skills to analyze and determine the characteristics of different types of soils. Soil types are complex and the geographical areas a soil scientist may survey are varied. Aerial photos or various satellite images are often used to research the areas. Computer skills and geographic information systems (GIS) help the scientist to analyze the multiple facets of geomorphology, topography, vegetation, and climate to discover the patterns left on the landscape.” 1 Soil scientists play a key role in understanding the soil’s past, analyzing present conditions, and making recommendations for future soil-related practices.

Sectie Samenvatting

Plants obtain mineral nutrients from the soil. Soil is the outer loose layer that covers the surface of Earth. Soil quality depends on the chemical composition of the soil, the topography, the presence of living organisms, the climate, and time. Agricultural practice and history may also modify the characteristics and fertility of soil. Soil consists of four major components: 1) inorganic mineral matter, 2) organic matter, 3) water and air, and 4) living matter. The organic material of soil is made of humus, which improves soil structure and provides water and minerals. Soil inorganic material consists of rock slowly broken down into smaller particles that vary in size, such as sand, silt, and loam.

Soil formation results from a combination of biological, physical, and chemical processes. Soil is not homogenous because its formation results in the production of layers called a soil profile. Factors that affect soil formation include: parent material, climate, topography, biological factors, and time. Soils are classified based on their horizons, soil particle size, and proportions. Most soils have four distinct horizons: O, A, B, and C.

Vragen over visuele verbinding

(Figure) Soil compaction can result when soil is compressed by heavy machinery or even foot traffic. How might this compaction change the soil composition?

(Figure) The air content of the soil decreases.

(Figure) Which horizon is considered the topsoil, and which is considered the subsoil?

(Figure) The A horizon is the topsoil, and the B horizon is subsoil.

Beoordelingsvragen

Which factors affect soil quality?

  1. chemical composition
  2. history of the soil
  3. presence of living organisms and topography
  4. alle bovenstaande

Soil particles that are 0.1 to 2 mm in diameter are called ________.

A soil consists of layers called ________ that taken together are called a ________.

  1. soil profiles : horizon
  2. horizons : soil profile
  3. horizons : humus
  4. humus : soil profile

What is the term used to describe the solid rock that lies beneath the soil?

Describe the main differences between a mineral soil and an organic soil.

A mineral soil forms from the weathering of rocks it is inorganic material. An organic soil is formed from sedimentation it mostly consists of humus.

Name and briefly explain the factors that affect soil formation.

Parent material, climate, topography, biological factors, and time affect soil formation. Parent material is the material in which soils form. Climate describes how temperature, moisture, and wind cause different patterns of weathering, influencing the characteristics of the soil. Topography affects the characteristics and fertility of a soil. Biological factors include the presence of living organisms that greatly affect soil formation. Processes such as freezing and thawing may produce cracks in rocks plant roots can penetrate these crevices and produce more fragmentation. Time affects soil because soil develops over long periods.

Describe how topography influences the characteristics and fertility of a soil.

Topography affects water runoff, which strips away parent material and affects plant growth. Steeps soils are more prone to erosion and may be thinner than soils that are on level surfaces.

Voetnoten

    National Resources Conservation Service / United States Department of Agriculture. “Careers in Soil Science.” http://soils.usda.gov/education/facts/careers.html

Woordenlijst


SOIL MICROBIOLOGY, ECOLOGY, AND BIOCHEMISTRY IN PERSPECTIVE

SOIL ECOLOGY

Soil ecology is the second leg of the scientific tripod supporting this textbook. Ecology has numerous definitions. The one that applies to this text is the interaction of organisms and their environment. Smith and Smith (2001) stated that Haeckel developed the term “ecology” in 1869 from the Greek term “oikos,” meaning home or place to live. The first ecological publications are credited to the Greek scholar Theophrastus (371–288 BCE), who wrote nine books on “The History of Plants” and six on “The Causes of Plants.” Continued work by naturalists during the 15th century, especially in the Middle East, was followed by the plant geographers, such as Wildenow (1765–1812) and Von Humboldt (1769–1859). These described vegetation by physical type and environmental conditions and coined the word “association” (see Smith and Smith, 2001 ). More plant geography, such as that of Schouw, who studied the effects of temperature on plant distribution, and Paczoski, who studied microenvironments created by plants, led to the study of plant communities. Scientists such as Coulter, Bessey, and Clements developed concepts of succession and gave ecology its hierarchical framework (see Major, 1969 ).

Aquatic research contributed much to ecological theory. In 1887, Forbes, who interestingly had no college degree (see Hagen, 1992 ), wrote the classic “The Lake as a Microcosm,” which was a predecessor to ecosystem ecology and introduced the concepts of interrelationships through food chains. In 1931, European biologists Thieneman and Forel used the concept of organic nutrient cycling and developed the terms “producers” and “consumers.” In 1926, agronomist Transeau was interested in improving agricultural production through a better understanding of photosynthetic efficiency and initiated our understanding of primary production. The early ecologists tended to concentrate on native plant and animal associations, whereas at that time soil microbiologists were associated with either agronomy or microbiology departments. Agronomists were primarily concerned with cultivated fields and the processes therein. To the soil zoologists, these fields seemed depauperate of interesting organisms, while the ecologist's obsession with native sites, and to some extent the environmental movement, was thought by the agronomists to greatly limit their interpretive capability.

Ecosystem science, a term coined by Tansley in 1935 (see Hagen, 1992 ), led to a more experimental approach and interdisciplinary work. The textbook organized around the ecosystem concept, “Fundamentals of Ecology” by E. P. Odum (1971) , went through three editions and was translated into more than 20 languages. The International Biological Programme of the 1960s and 1970s demonstrated the need to investigate all the interacting components of the ecosystem and to model them using mathematically defined transformation processes. This required the active interaction of soil microbiologists and biochemists with plant and animal ecologists and agronomists. During this program, G. M. Van Dyne, a strong advocate of the ecosystem concept, described the editor of this volume as standing on a four-stranded barbed wire fence between ecology and agronomy, with the warning that some day I would slip, with the obvious drastic consequences. The title and chapters in this book indicate to me that this fence has finally been ripped out. Future great advances lie in the study of our exciting field by scientists with a variety of backgrounds and employment in institutions often as heterogeneous as the soils and organisms they study. At the same time, the more classically trained ecologists recognize that the soil, with its multitude of interacting organisms and complexity of interactions, is the last great frontier of ecology.

Today's researchers are finding that replicated, managed fields are excellent for studying and developing ecological and biogeochemical concepts in that they often have greater, more easily measured, nutrient fluxes than those in perennial vegetation. Uncultivated systems, whether prairie or forest, are essential as reference points, often with greater diversity. Other work, such as that in the Amazon Basin, is recognizing that many of the forests that were once thought to be pristine have had major past human interventions.

Russell's 11th edition of “Soil Conditions and Plant Growth,” edited by Wild (1988) , noted that Gilbert White, in 1777, observed that earthworms were promoters of vegetation by perforating and loosening the soil and drawing leaves underground. Feller et al. (2003a) note that Darwin first reported on the effect of earthworms in 1837, followed 34 years later by the publication “The Formation of Vegetable Mould through the Action of Earthworms.” At that time, the term “vegetable mould” was used to designate surface horizons in a manner not that different from the earlier use of the term humus. Darwin showed that earthworms were important in soil formation by affecting rock weathering, humus formation, and profile differentiation. This led Feller et al. (2003a) to credit Darwin for the first scientific publication in Europe on the biological functioning of soils. In 1839, Ehrenberg had shown the presence of soil protozoa (see Feller et al., 2003a ). Russell's work on partial sterilization and its benefits to fertility had involved the protozoa. Cutler and Crump, in 1920, observed the often reciprocal increase and decrease of amoebae and bacteria and attributed the concept of soil sickness resulting in lowered fertility to this phenomenon (see Waksman, 1932 ). This is in direct contrast to Russell's, and more recent, concepts in which faunal-derived microbial turnover is considered an advantage in nutrient release ( Coleman et al., 2004 ). Stout et al. (1982) gave a detailed resume of the soil protozoa that included the slime molds.

The “Manual of Agricultural Helminthology” (Filipjev and Shuurmans-Stekhoven, 1941, published in The Netherlands), summarized nematode anatomy, systematics, methodology, and plant–parasite interactions to that date. G. Steiner states in the edited volume on nematology ( Sasser and Jenkins, 1960 ) that the Incas of Peru had a regulation by which the replanting of potatoes on the same land needed to be deferred by a few years to control what must have been golden nematode infestation. He also stated that the “bush culture” that involved burning of tropical forests followed by planting of crops was not done on adjacent plots to stop invasion of nematodes from the old agricultural plots to the new ones. Kevan's 1965 description and count of soil fauna per square meter of a European grassland were quoted in the first edition of this textbook. A good introduction to the various members of the soil fauna is given by Burges and Raw (1967) and is updated by Lavelle and Spain (2001) and Coleman et al. (2004) .

Wilde (1946) stated that the principals of soil science and ecology were introduced to silviculture by the German forester Grebe in his doctor's thesis in 1840. Grebe forecast Dokuchaiev's studies by stating,

“As silviculture horizons widen, the importance of environmental conditions becomes more sharply pronounced. It appears clearly to foresters that the form of forest management is determined by a number of physical influences related to topography, geology, type of soil, and climate.”

In not mentioning organisms, maybe the quote does not belong in this book, but 80% correct isn't all bad.

Russian scientists have long credited Dokuchaiev and his associate Kostytchev with being the founders of soil science and for having a great influence on ecology. Wilde (1946) quotes Dokuchaiev as saying,

“The eternal genetical relationships that exist between the forces of the environment and physical matter, living and nonliving domains, plants and animals and man, his habits, and even his psychology—these relationships comprise the very nucleus of natural science.”

Dokuchaiev recognized the effects of animals in soil formation in using the word “crotovina” for the filled-in remnants of mammal burrows. Russian soil science, ecology, geography, and plant ecology have always been closely associated ( Major, 1969 ). Their word “biogeocoenoses” emphasizes the biology–landscape interactions, as well as exchanges of matter and energy, discussed so often in this text. Hilgard translated Dokuchaiev's work to English and mapped American soils relative to landscape, climate, and vegetation. Wilde credits Hilgard's 1906 publication “The Relation of Soils to Climate” for perhaps unintentionally laying the foundation of soil ecology in America. The interactions of Dokuchaiev's five factors of soil formation, climate, parent material, organisms, topography, and time were reiterated and placed in an equation form by Jenny (1941) . Liebig has been credited as one of the first physiological ecologists for his work on mineral nutrition of plants.

The influence of Müller's 1878 monograph in characterizing forest soils in relation to the type of organic matter (Mull, Moder, and Mor) has been extensive. Wilde lists an extensive number of European authors who emphasized the role of soils in forest management. Other reviews on forest–microbiology–nutrient cycling include Jordan (1985) , Pregitzer (2003) , and Morris and Paul (2003) . Rangeland science is equally dependent on soil processes, some of which are detailed in “Grasslands, Systems Analysis and Man,” edited by Breymeyer and Van Dyne (1980) , and in “Grassland Ecophysiology and Grazing Ecology” ( Lemaire et al., 2000 ).

I did not know whether to place microbial ecology under soil microbiology or soil ecology. In concepts, methods, and application, microbial ecology has been closer to soil microbiology than to classical ecology. Numerous authors have bemoaned the fact that there is not an extensive idea and concept exchange between microbial ecology and ecology in general. However, this is rapidly changing with the recognition that the diverse and extensive soil and aquatic and sediment biota can now be studied with molecular methods. The great diversity and close interactions of organisms with mineral particles makes soil an ideal place to develop and test ecological concepts. According to Marshal (1993) , microbial ecology has the goals of defining population dynamics in microbial communities and the physiochemical characteristics of microenvironments and understanding the metabolic processes carried out by microorganisms in nature. It recognizes as its founders the same scientists (Leeuwenhoek, Winogradsky, and Beijerinck) that developed soil microbiological thought. Microbial ecology has the ability to transcend different habitats, asking questions about soils, plants, animals, fresh waters, oceans, and sediments, as well as geological strata. It also has received great impetus from the recent advances in nucleic acid techniques and, thus, one of its more modern pioneering works has to be that of Watson and Crick, which eventually led to the nuclear-based techniques.

The first textbook published with the title “Microbial Ecology” was that of Brock (1966) . Brock (1975) , in “Milestones in Microbiology,” published the key papers of Pasteur, Koch, and others in a translated, annotated format. The publication of the triennial meetings of the International Society of Microbial Ecology provides a useful chronology of advances in this field. Some include Ellwood et al. (1980) , “Contemporary Microbial Ecology” Klug and Reddy (1984) , “Current Perspectives in Microbial Ecology” and Guerrero and Pedros-Alio (1993) , “Trends in Microbial Ecology.” Other reviews include Lynch and Poole (1979) and the series “Advances in Microbial Ecology” published by Plenum Press. The training and background of microbial ecologists are often very different from those of classical ecologists, and until recently, there has not been enough cross-fertilization of ideas between the fields.


Methoden:

Extraction and characterization of POM

POM was extracted from a peat soil with 34.1% organic carbon from Changbai Mountain, China (42°9′51″N, 126°44′7″E). Briefly, the air-dried and sieved soil (0.2 mm) was progressively extracted with 0.1 M Na4P2O7 eight times, 0.1 M NaOH 20 times, and then 0.2 M NaOH ten times with an extractant/soil ratio of 10:1, followed by centrifugation at 4500 × G for 20 min. The samples were then washed with Milli-Q water, freeze-dried, ground until they were fine enough to pass through a 100-mesh (0.15 mm) sieve 45 and used in the analyses described below.

The carbon, hydrogen, nitrogen, and oxygen contents of the POM were determined using a Vario EL III element analyzer (Germany) (Supplementary Table 1). The ash content was determined by heating the POM sample at 800 °C for 4 h and calculated based on the mass difference (Supplementary Table 1) 46 . Subsamples were de-ashed in 1.6 M HCl and 3 M HF at extractant/soil ratio of 10:1 for 24 h seven times (designated as de-ashed POM). DOM released from the POM suspension was monitored over 96 h using a total organic carbon analyzer (Multi N/C 3100, Analytik, Jena, Germany).

Reduction in sand matrix

The experiment was performed to mimic the possible natural formation of AgNPs in the presence of POM on the soil surface. Commercial quartz sand with a grain size of 0.3−0.7 mm was thoroughly cleaned with 0.01 M HNO3 and NaOH 47 . A uniform layer of 1 mm sand was formed in glass Petri dishes (9 cm in diameter) using 14 g of quartz sand, with or without 0.3 g of POM, corresponding to POM content in natural soil 48 . Each experimental group was spiked with Ag + (as AgNO3, pH 8.6) at 100 mg kg −1 (dry weight), rewetted periodically to maintain a water-holding capacity of 20, 50, and 100%, covered with polyvinyl chloride film, and irradiated for 10 h outdoors under natural sunlight [6,820–178,900 lux, measured using a digital lux meter (BENETECH GM1010, China)]. After 10 h, the resulting AgNPs were analyzed. The experiments were also conducted in the dark.

Reduction in simplified suspension

Silver nitrate (AgNO3) at 9.3 × 10 −3 −0.93 mM was allowed to react with POM at 9.0−143.2 mg C L −1 at pH 5.6−8.6. Modeling calculations confirmed that under all pH conditions >99.9% of the Ag was present as Ag + (Visual MINTEQ 3.1). The suspensions were rotated at 500 rpm at 25 °C to ensure uniform light exposure and a well-mixed suspension 37 in a photo-chemical reactor equipped with a water-circulating jacket for temperature control (XPA-7, Nanjing Xujiang Electromechanical Plant, China). The simulated sunlight was provided by a xenon source lamp (250−1100 nm) without light filters at 500 W/m 2 . AgNPs production was also evaluated under natural sunlight as well as in the dark (covered with aluminum foil). A parallel experiment was performed to study the effect of O2 on Ag + reduction in which the suspension was purged with high-purity N2 for at least 30 min before exposure to simulated sunlight. SOD (150 U mL −1 ) was added to the suspension to determine the role of (>_2^>) . All experiments were conducted with at least duplicate samples.

Characterization of AgNPs

At each time point, the suspensions were immediately filtered through a 0.45-μm filter and the resulting AgNPs in liquid phase were tracked by UV–Vis spectrophotometry at 300−800 nm. After rinsing with Milli-Q water, the POM was freeze-dried for X-ray Powder Diffraction (XRD, Ultima IV, Rigaku, Japan) and X-ray Photoelectron Spectrometer (XPS, ESCALAB 2500Xi, Thermo, USA) analyses. Transmission electron microscopy (TEM) with energy dispersive X-ray spectrometry (EDS) (JEM200CX, Japan) was performed at an accelerating voltage of 200 kV. NPs size was obtained using Nano Measure System 1.2.0 to analysis TEM images of at least 300 particles. Liquid chromatography inductively coupled plasma mass spectrometry (LC-ICP-MS) was also applied in the work to characterize the AgNPs at low concentrations 49 . Ultrafiltration coupled with inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS, Thermo-iCAP Q, USA) was used to quantitate Ag + and AgNPs in liquid and particulate phase. The Ag + in the liquid phase was measured by a 3-kDa centrifugal ultrafilter (Amicon Ultra-15 3 kDa, Millipore) 50,51 the resulting AgNPs were then quantified by subtracting the Ag + concentration from the total Ag concentration. The AgNPs on POM were extracted with 3 mL of 2.5 mM tetrasodium pyrophosphate (TSPP) 52 . The AgNPs were then quantified as described for the liquid phase. The results are presented as mean ± s.d. based on the results of N = 3 samples.

FTIR, solid-state 13 C NMR, and EPR analyses

To identify the structural components in POM responsible for Ag + reduction, FTIR spectrometry (Nicolet iS10, Thermo, USA), solid-state 13 C NMR (Burker Avance IIIHD 400 WB), and electron paramagnetic resonance spectrometry (EPR, EMX 10/12, Bruker, Germany) with a resonance frequency of 9.77 GHz of POM were performed 53 . The dimethyl sulfoxide (DMSO) and 5,5-dimethyl-1-pyrroline-N-oxide (DMPO, J&K Scientific Ltd, Shanghai, China) at 100 mM was used to trap the (>_2^>) and generate the EPR signals (DMPO- (>_2^>) ) in the POM recorded in EPR spectra. A parallel experiment was also conducted using a DOM solution, released from POM, to rule out its potential effect on (>_2^>) generation.