Em formação

31.2B: Formação do Solo - Biologia


A formação do solo é o resultado de uma combinação de cinco fatores: material original, clima, topografia, fatores biológicos e tempo.

objetivos de aprendizado

  • Descreva os cinco fatores que são responsáveis ​​pela formação do solo

Pontos chave

  • O material original é o material orgânico e inorgânico a partir do qual o solo é formado.
  • Fatores climáticos, como temperatura e vento, afetam a formação do solo e suas características; a presença de umidade e nutrientes também é necessária para formar um solo de qualidade.
  • A topografia, ou características regionais de superfície, afeta o escoamento da água, que remove o material original e afeta o crescimento da planta (quanto mais íngreme o solo, mais erosão ocorre).
  • A presença de microrganismos no solo cria poros e fendas; as plantas promovem a presença de microrganismos e contribuem para a formação do solo.
  • A formação do solo ocorre durante longos períodos de tempo.

Termos chave

  • rizosfera: a região do solo sujeita à influência das raízes das plantas e seus microrganismos associados
  • base rochosa: a rocha sólida que existe em alguma profundidade abaixo da superfície do solo
  • horizonte: uma camada de solo com propriedades físicas e químicas distintas que diferem das outras camadas

Formação do Solo

A formação do solo é consequência de uma combinação de processos biológicos, físicos e químicos. O solo deve conter idealmente 50% de material sólido e 50% de espaço de poro. Cerca de metade do espaço dos poros deve conter água, enquanto a outra metade deve conter ar. O componente orgânico do solo serve como um agente de cimentação, retorna nutrientes para a planta, permite que o solo armazene umidade, torna o solo cultivável para a agricultura e fornece energia para os microrganismos do solo. A maioria dos microrganismos do solo, bactérias, algas ou fungos ficam dormentes no solo seco, mas tornam-se ativos quando a umidade está disponível.

A distribuição do solo não é homogênea porque sua formação resulta na produção de camadas; a seção vertical das camadas de solo é chamada de perfil do solo. Dentro do perfil do solo, os cientistas do solo definem zonas chamadas horizontes: uma camada do solo com propriedades físicas e químicas distintas que diferem das outras camadas. Cinco fatores são responsáveis ​​pela formação do solo: material original, clima, topografia, fatores biológicos e tempo.

Material pai

O material orgânico e inorgânico no qual os solos se formam é o material original. Os solos minerais se formam diretamente do desgaste da rocha, a rocha sólida que fica abaixo do solo; portanto, eles têm uma composição semelhante à rocha original. Outros solos se formam em materiais que vieram de outros lugares, como areia e deriva glacial. Os materiais localizados na profundidade do solo são relativamente inalterados em comparação com o material depositado. Os sedimentos nos rios podem ter características diferentes, dependendo se o fluxo se move rapidamente ou lentamente. Um rio de movimento rápido pode ter sedimentos de rochas e areia, enquanto um rio de movimento lento pode ter material de textura fina, como argila.

Clima

Temperatura, umidade e vento causam diferentes padrões de intemperismo, que afetam as características do solo. A presença de umidade e nutrientes do intemperismo também promoverá a atividade biológica: um componente-chave de um solo de qualidade.

Topografia

As características regionais da superfície (familiarmente chamadas de “configuração do terreno”) podem ter uma grande influência nas características e fertilidade de um solo. A topografia afeta o escoamento da água, que remove o material original e afeta o crescimento das plantas. Solos íngremes são mais propensos à erosão e podem ser mais finos do que solos relativamente planos ou planos.

Fatores biológicos

A presença de organismos vivos afeta muito a formação e a estrutura do solo. Animais e microrganismos podem produzir poros e fendas. As raízes das plantas podem penetrar nas fendas para produzir mais fragmentação. As secreções das plantas promovem o desenvolvimento de microorganismos ao redor da raiz em uma área conhecida como rizosfera. Além disso, as folhas e outros materiais que caem das plantas se decompõem e contribuem para a composição do solo.

Tempo

O tempo é um fator importante na formação do solo porque os solos se desenvolvem por longos períodos. A formação do solo é um processo dinâmico. Os materiais são depositados com o tempo, se decompõem e se transformam em outros materiais que podem ser usados ​​por organismos vivos ou depositados na superfície do solo.


BIOLOGIA DO SOLO E A PAISAGEM

Uma incrível diversidade de organismos constitui a teia alimentar do solo. Eles variam em tamanho, desde as menores bactérias unicelulares, algas, fungos e protozoários, até os mais complexos nematóides e microartrópodes, até as minhocas visíveis, insetos, pequenos vertebrados e plantas.

À medida que esses organismos se alimentam, crescem e se movem pelo solo, eles tornam possível ter água limpa, ar puro, plantas saudáveis ​​e fluxo moderado de água.

Existem muitas maneiras pelas quais a teia alimentar do solo é parte integrante dos processos da paisagem. Os organismos do solo decompõem compostos orgânicos, incluindo esterco, resíduos de plantas e pesticidas, evitando que entrem na água e se tornem poluentes. Eles sequestram nitrogênio e outros nutrientes que poderiam entrar nas águas subterrâneas e fixam o nitrogênio da atmosfera, tornando-o disponível para as plantas. Muitos organismos aumentam a agregação e a porosidade do solo, aumentando assim a infiltração e reduzindo o escoamento. Os organismos do solo atacam as pragas das plantações e são alimento para os animais acima do solo.

O ambiente do solo. Os organismos vivem em ambientes em microescala dentro e entre as partículas do solo. As diferenças em distâncias curtas de pH, umidade, tamanho dos poros e tipos de alimentos disponíveis criam uma ampla gama de habitats.

Crédito: S. Rose e E.T. Elliott. Entre em contato com a Soil and Water Conservation Society em [email protected] para obter assistência com imagens protegidas por direitos autorais (com crédito).

A rede alimentar: organismos e sua interação

A teia alimentar do solo é a comunidade de organismos que vivem toda ou parte de suas vidas no solo. Um diagrama da rede alimentar mostra uma série de conversões (representadas por setas) de energia e nutrientes à medida que um organismo come outro.

Todas as cadeias alimentares são alimentadas pelos produtores primários: as plantas, líquenes, musgo, bactérias fotossintéticas e algas que usam a energia do sol para fixar o dióxido de carbono da atmosfera. A maioria dos outros organismos do solo obtém energia e carbono ao consumir os compostos orgânicos encontrados nas plantas, outros organismos e subprodutos residuais. Algumas bactérias, chamadas quimioautótrofas, obtêm energia do nitrogênio, enxofre ou compostos de ferro, em vez de compostos de carbono ou do sol.

À medida que os organismos decompõem materiais complexos ou consomem outros organismos, os nutrientes são convertidos de uma forma para outra e são disponibilizados para as plantas e outros organismos do solo. Todas as plantas - grama, árvores, arbustos, safras agrícolas - dependem da teia alimentar para sua nutrição.

O que os organismos do solo fazem?

O crescimento e a reprodução são as atividades primárias de todos os organismos vivos. Como as plantas individuais e os organismos do solo trabalham para sobreviver, eles dependem das interações entre si. Subprodutos de raízes em crescimento e resíduos de plantas alimentam os organismos do solo. Por sua vez, os organismos do solo apoiam a saúde das plantas enquanto decompõem a matéria orgânica, fazem o ciclo dos nutrientes, melhoram a estrutura do solo e controlam as populações de organismos do solo, incluindo as pragas das colheitas.

Matéria orgânica alimenta a teia alimentar

A matéria orgânica consiste em muitos tipos diferentes de compostos - alguns mais úteis para os organismos do que outros. Em geral, a matéria orgânica do solo é composta por partes aproximadamente iguais de húmus e matéria orgânica ativa. A matéria orgânica ativa é a porção disponível para os organismos do solo. As bactérias tendem a usar compostos orgânicos mais simples, como exsudatos de raízes ou resíduos vegetais frescos. Os fungos tendem a usar compostos mais complexos, como resíduos de plantas fibrosas, madeira e húmus do solo.

O preparo intensivo do solo desencadeia surtos de atividade entre as bactérias e outros organismos que consomem matéria orgânica (convertem em CO2), esgotando primeiro a fração ativa. As práticas que constroem a matéria orgânica do solo (cultivo reduzido e adições regulares de matéria orgânica) irão aumentar a proporção de matéria orgânica ativa muito antes de os aumentos na matéria orgânica total poderem ser medidos. À medida que os níveis de matéria orgânica do solo aumentam, os organismos do solo desempenham um papel na sua conversão em húmus - uma forma relativamente estável de carbono sequestrado no solo por décadas ou mesmo séculos.

A matéria orgânica do solo é o depósito de energia e nutrientes usados ​​pelas plantas e outros organismos. Bactérias, fungos e outros habitantes do solo transformam e liberam nutrientes da matéria orgânica. Esses micro-fragmentos, ácaros oribatídeos imaturos, esqueletizam as folhas das plantas. Isso inicia o ciclo de nutrientes do carbono, nitrogênio e outros elementos.

Crédito: Roy A. Norton, Faculdade de Ciências Ambientais e Florestas, Universidade Estadual de Nova York. Entre em contato com a Soil and Water Conservation Society em [email protected] para obter assistência com imagens protegidas por direitos autorais (com crédito).

Fontes alimentares para organismos do solo

"Matéria orgânica do solo" inclui todas as substâncias orgânicas presentes no solo. Aqui estão os termos usados ​​para descrever diferentes tipos de matéria orgânica.

  • Organismos vivos: Bactérias, fungos, nematóides, protozoários, minhocas, artrópodes e raízes vivas.
  • Resíduos de detritos de material vegetal morto: Todos esses termos se referem a plantas, animais ou outras substâncias orgânicas que foram recentemente adicionadas ao solo e apenas começaram a apresentar sinais de decomposição. Detritívoros são organismos que se alimentam desse material.
  • Fração de matéria orgânica ativa: Compostos orgânicos que podem ser usados ​​como alimento por microorganismos. A fração ativa muda mais rapidamente do que a matéria orgânica total em resposta às mudanças de manejo.
  • Matéria orgânica lábil: Matéria orgânica que se decompõe facilmente.
  • Exsudados de raiz: Açúcares solúveis, aminoácidos e outros compostos secretados pelas raízes.
  • Matéria orgânica particulada (POM) ou matéria orgânica da fração leve (LF): POM e LF têm definições precisas de tamanho e peso. Eles são pensados ​​para representar a fração ativa da matéria orgânica que é mais difícil de definir. Como o POM ou LF é maior e mais leve do que outros tipos de matéria orgânica do solo, eles podem ser separados do solo por tamanho (usando uma peneira) ou por peso (usando uma centrífuga).
  • Lignina: Um composto difícil de degradar que faz parte das fibras de plantas mais antigas. Os fungos podem usar as estruturas do anel de carbono da lignina como alimento.
  • Matéria orgânica recalcitrante: Matéria orgânica, como húmus ou material contendo lignina, que poucos organismos do solo podem decompor.
  • Húmus ou matéria orgânica humificada: Compostos orgânicos complexos que permanecem após muitos organismos terem usado e transformado o material original. O húmus não se decompõe prontamente porque está fisicamente protegido dentro de agregados ou quimicamente muito complexo para ser usado pela maioria dos organismos. O húmus é importante na ligação de minúsculos agregados do solo e melhora a capacidade de retenção de água e nutrientes.

Onde vivem os organismos do solo?

Os organismos da cadeia alimentar não são uniformemente distribuídos pelo solo. Cada espécie e grupo existe onde podem encontrar espaço, nutrientes e umidade apropriados. Eles ocorrem onde quer que a matéria orgânica ocorra - principalmente nas poucas polegadas superiores do solo (veja o gráfico abaixo), embora os micróbios tenham sido encontrados a uma profundidade de até 16 km em poços de petróleo. Os organismos do solo estão concentrados:

Em torno das raízes. A rizosfera é a estreita região do solo diretamente ao redor das raízes. Está repleto de bactérias que se alimentam de células vegetais desprezadas e de proteínas e açúcares liberados pelas raízes. Os protozoários e nematóides que pastam nas bactérias também estão concentrados perto das raízes. Assim, grande parte da ciclagem de nutrientes e da supressão de doenças necessária às plantas ocorre imediatamente adjacente às raízes.

Na maca. Os fungos são decompositores comuns de resíduos vegetais porque os resíduos contêm grandes quantidades de carbono complexo e difícil de decompor. As hifas fúngicas (filamentos finos) podem "canalizar" o nitrogênio do solo subjacente para a camada de serapilheira. As bactérias não podem transportar nitrogênio por distâncias, dando aos fungos uma vantagem na decomposição da serapilheira, particularmente quando a serapilheira não é misturada ao perfil do solo. No entanto, as bactérias são abundantes na serapilheira verde das plantas mais jovens, que contém mais nitrogênio e compostos de carbono mais simples do que na cama das plantas mais velhas. Bactérias e fungos são capazes de acessar uma área de superfície maior de resíduos de plantas depois que organismos trituradores, como minhocas, insetos comedores de folhas, milípedes e outros artrópodes quebram a cama em pedaços menores.

Em húmus. Fungos são comuns aqui. Grande parte da matéria orgânica do solo já foi decomposta muitas vezes por bactérias e fungos e / ou passada pelas vísceras de minhocas ou artrópodes. Os compostos húmicos resultantes são complexos e têm pouco nitrogênio disponível. Apenas os fungos produzem algumas das enzimas necessárias para degradar os compostos complexos do húmus.

Na superfície dos agregados do solo. A atividade biológica, em particular a de bactérias aeróbias e fungos, é maior perto das superfícies dos agregados do solo do que dentro dos agregados. Em grandes agregados, podem ocorrer processos que não requerem oxigênio, como desnitrificação. Muitos agregados são, na verdade, pelotas fecais de minhocas e outros invertebrados.

Em espaços entre agregados de solo. Os artrópodes e nematóides que não conseguem penetrar no solo se movem nos poros entre os agregados do solo. Organismos que são sensíveis à dessecação, como protozoários e muitos nematóides, vivem em poros cheios de água.

As bactérias são abundantes ao redor dessa ponta de raiz (a rizosfera), onde se decompõem as abundantes substâncias orgânicas simples.

Crédito: No. 53 de Soil Microbiology and Biochemistry Slide Set. 1976 J. P. Martin, et al., Eds. SSSA, Madison WI. Entre em contato com a Soil and Water Conservation Society em [email protected] para obter assistência com imagens protegidas por direitos autorais (com crédito).

Quando eles estão ativos?

A atividade dos organismos do solo segue padrões sazonais, bem como padrões diários. Em sistemas temperados, a maior atividade ocorre no final da primavera, quando as condições de temperatura e umidade são ideais para o crescimento. No entanto, certas espécies são mais ativas no inverno, outras durante os períodos de seca e ainda outras em condições de inundação.

Nem todos os organismos estão ativos em um determinado momento. Mesmo durante os períodos de alta atividade, apenas uma fração dos organismos está ocupada comendo, respirando e alterando seu ambiente. A porção restante está pouco ativa ou mesmo dormente.

Muitos organismos diferentes estão ativos em momentos diferentes e interagem uns com os outros, com as plantas e com o solo. O resultado combinado é uma série de funções benéficas, incluindo ciclagem de nutrientes, fluxo moderado de água e controle de pragas.

A Importância da Teia Alimentar do Solo

O componente vivo do solo, a teia alimentar, é complexo e tem composições diferentes em diferentes ecossistemas. O manejo de terras agrícolas, pastagens, áreas florestais e jardins beneficia e afeta a teia alimentar. A próxima unidade do Soil Biology Primer, The Food Web & amp Soil Health, apresenta a relação da biologia do solo com a produtividade agrícola, a biodiversidade, o sequestro de carbono e a qualidade do ar e da água. As seis unidades restantes do Soil Biology Primer descrevem os principais grupos de organismos do solo: bactérias, fungos, protozoários, nematóides, artrópodes e minhocas.


O perfil do solo

À medida que os solos se desenvolvem ao longo do tempo, as camadas (ou horizontes) formam um perfil de solo.

A maioria dos perfis de solo cobre a terra como 2 camadas principais & mdashtopsoil e subsolo.

Os horizontes do solo são as camadas do solo conforme você desce no perfil do solo. Um perfil de solo pode ter horizontes de solo fáceis ou difíceis de distinguir.

A maioria dos solos exibe 3 horizontes principais:

  • Um horizonteSolo superficial rico em & mdashhumus onde os nutrientes, a matéria orgânica e a atividade biológica são maiores (ou seja, a maioria das raízes das plantas, minhocas, insetos e microorganismos são ativos). O horizonte A é geralmente mais escuro do que outros horizontes por causa dos materiais orgânicos.
  • Horizonte B& mdashclay subsolo rico. Este horizonte é frequentemente menos fértil que a camada superficial do solo, mas retém mais umidade. Geralmente tem uma cor mais clara e menos atividade biológica do que o horizonte A. A textura pode ser mais pesada do que o horizonte A também.
  • Horizonte C& mdashsubjacente à rocha intemperizada (a partir da qual os horizontes A e B se formam).

Alguns solos também têm um O horizonte consistindo principalmente em resíduos de plantas que se acumularam na superfície do solo.

As propriedades dos horizontes são usadas para distinguir entre os solos e determinar o potencial de uso da terra.


Material pai

O material orgânico e inorgânico no qual os solos se formam é o material original. Os solos minerais se formam diretamente do intemperismo da rocha, a rocha sólida que fica abaixo do solo e, portanto, têm uma composição semelhante à rocha original. Outros solos se formam em materiais que vieram de outros lugares, como areia e deriva glacial. Os materiais localizados na profundidade do solo são relativamente inalterados em comparação com o material depositado. Os sedimentos nos rios podem ter características diferentes, dependendo se o fluxo se move rapidamente ou lentamente. Um rio de movimento rápido pode ter sedimentos de rochas e areia, enquanto um rio de movimento lento pode ter material de textura fina, como argila.


Gestão e saúde do solo

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Cinco fatores de formação do solo

Os cientistas atribuem a formação do solo aos seguintes fatores: material original, clima, biota (organismos), topografia e tempo.

Esses fatores interagem para formar mais de 1.108 séries de solos diferentes em Minnesota. As propriedades físicas, químicas e biológicas dos diferentes solos podem ter um grande efeito sobre a melhor forma de gerenciá-los.

Os cinco fatores

Minnesota é uma terra de solos geologicamente jovens com muitos materiais originais diferentes (Figura 1). O fator comum entre os solos de Minnesota é que eles foram formados pela última geleira no norte dos Estados Unidos, de 11.000 a 14.000 anos atrás.

Isso pode parecer muito tempo, mas é considerado recente no contexto da formação do solo e da geologia. A Figura 1 lista cinco materiais principais principais: Till, loess, lacustrine, outwash e até sobre o leito rochoso.

Till é predominante nas partes centro-sul, centro-oeste e sudoeste do estado. Como a última geleira estava derretendo, esses materiais foram depositados.

Os solos formados neste material geralmente têm texturas de argila siltosa a argila siltosa, muitos tamanhos de rocha diferentes e drenagem interna deficiente. A má drenagem tem grande influência no manejo do nitrogênio e nas práticas culturais.

Loess

Loess é um material do tamanho de silte que foi levado pelo vento e depositado após o derretimento da geleira. Esses depósitos de sedimentos podem variar em profundidade de alguns centímetros a muitos pés. Os solos formados em loess geralmente têm texturas de argila silte e nenhuma rocha.

A maioria dos solos formados em loess ocorre no sudeste de Minnesota, onde os depósitos de loess estão no topo de calcário ou arenito. Por causa do estado poroso dos materiais subjacentes no sudeste de Minnesota, os solos são geralmente bem drenados.

Loess, no sudoeste de Minnesota, é depositado sobre o cultivo glacial. Os solos formados neste material são geralmente mal drenados e comportam-se de maneira semelhante aos solos formados no cultivo glacial. A erosão é uma grande preocupação para esses solos por causa da textura limo-argilosa. A gestão de resíduos torna-se um fator importante para manter a alta produtividade.

Lacustre

Os materiais de origem lacustre resultam de sedimentos depositados em lagos formados pela água de degelo glacial. Os lagos existiram por tempo suficiente para que as partículas grandes, como rochas e areia, fossem depositadas imediatamente após a formação do lago, enquanto as partículas menores do tamanho de argila fossem depositadas posteriormente.

Um exemplo é o solo formado sob o Lago Glacial Agassiz no noroeste de Minnesota e no leste de Dakota do Norte (Vale do Rio Vermelho do Norte). Os solos formados em depósitos lacustres apresentam texturas de argila, argila argilosa e argilosa, drenagem interna deficiente e sem rochas. Muitos solos no noroeste de Minnesota foram formados em material lacustre.

Outwash

Outwash é o material depositado nas margens dos rios de fluxo rápido do gelo derretido das geleiras que recuam. Isso inclui rochas, cascalho, areia e outros materiais grandes o suficiente para sair do fluxo de água, pois a corrente do rio continuou transportando partículas menores.

Os solos formados em outwash são excessivamente bem drenados e apresentam texturas de areia e franco-arenosa. Exemplos de áreas de Minnesota com solos formados em outwash incluem as regiões de Anoka Sand Plain, North Central Sands e Bonanza Valley no centro-leste, centro-norte e centro de Minnesota, respectivamente.

Até o leito rochoso

Até que os depósitos rochosos ocorram no nordeste de Minnesota. Os materiais da geleira foram depositados sobre o leito rochoso, semelhante ao centro-sul de Minnesota, mas com material de diferentes gelos glaciais.

Existem também áreas significativas de solos formados diretamente a partir do leito rochoso. Esses solos tendem a ser rasos e não são usados ​​extensivamente para a produção agrícola.

Temperatura e precipitação

A temperatura e a precipitação influenciam a rapidez com que os materiais originais agem e, portanto, as propriedades do solo, como composição mineral e conteúdo de matéria orgânica.

A temperatura influencia diretamente a velocidade das reações químicas. Quanto mais quente a temperatura, mais rápidas ocorrem as reações. As flutuações de temperatura aumentam o desgaste físico das rochas.

A precipitação governa o movimento da água no solo. A quantidade de água que o solo recebe e a quantidade de evapotranspiração que ocorre influenciam o movimento da água. A precipitação anual normal em Minnesota é a menor no canto noroeste, com 16 polegadas, e aumenta conforme você avança em direção ao canto sudeste, onde 34 polegadas é a precipitação anual normal (Figura 2).

Evapotranspiração

A evapotranspiração é a combinação de água evaporada da superfície do solo e água transpirada pelas plantas em crescimento. Conforme a temperatura do ar aumenta, a evapotranspiração aumenta. A alta evapotranspiração em relação à precipitação significa que menos água está disponível para se mover através do solo.

Em Minnesota, a maior evapotranspiração ocorre na parte sudoeste do estado e diminui conforme você avança em direção ao canto nordeste.

Índice de umidade

Um índice de lixiviação ou índice de umidade (Figura 3) é calculado subtraindo a evapotranspiração da precipitação. Este índice é um indicador das condições médias de umidade do solo.

Quanto maior o índice, mais umidade do solo está presente. Maior umidade do solo aumenta o intemperismo químico e move minerais, como bases, mais profundamente no perfil do solo. Isso afeta as práticas de manejo, como drenagem e entrada de nutrientes móveis.

Os agentes bióticos têm afetado muito o processo de formação do solo. Isso inclui organismos que vivem no solo, como bactérias e esquilos, e a vegetação que cresce na superfície.

Organismos do solo

Os organismos no solo podem acelerar ou retardar a formação do solo. Por exemplo, microorganismos podem facilitar reações químicas ou excretar substâncias orgânicas para melhorar a infiltração de água no solo. Outros organismos, como os gophers, retardam a formação do solo cavando e misturando materiais do solo e destruindo os horizontes do solo que se formaram.

Vegetação

Os solos de Minnesota foram formados sob dois tipos principais de vegetação: floresta e pradaria.

Os solos formados sob as florestas tendem a ser mais intemperizados (mais velhos em termos de solo) porque as florestas crescem em áreas com maior pluviosidade. Há mais movimento de água na zona da raiz e uma quantidade menor de formas de matéria orgânica.

Os solos formados na pradaria tendem a estar em áreas com menos precipitação. As gramíneas tendem a usar a umidade fornecida, reduzindo o movimento da água no perfil do solo. A matéria orgânica forma-se em grandes quantidades e em maior profundidade na superfície do solo do que os solos florestais.

Diferenças regionais na vegetação

A Figura 4 mostra as diferentes vegetações em que os solos foram formados. Os solos das partes sudoeste, centro-sul e oeste do estado foram formados em pradaria. Os solos da região Nordeste do estado foram formados sob vegetação florestal.

A savana entre a floresta e a pradaria é uma área de transição conhecida como ecótono. Pradaria e vegetação florestal existiam nesta área, mudando entre floresta e pradaria conforme o clima mudava ao longo do tempo. A vegetação da floresta se infiltrava na pradaria em climas mais úmidos, enquanto eventos como incêndios transformavam áreas de floresta em pradaria.

Declive e aspecto são duas características topográficas que afetam a formação do solo.

Declive

A inclinação se refere à inclinação (em graus ou porcentagem) da horizontal, que afeta a quantidade de material do solo que é depositado ou erodido. O solo nivelado é o mais desenvolvido, pois não perde nem ganha material. É a mudança no material que retarda o processo de formação do solo.

Aspecto

Aspecto é a direção para a qual o declive está voltado em relação ao sol (direção da bússola), que afeta a quantidade de água que se move pelo solo.

O lado norte tende a ter mais água porque há menos evaporação e, como resultado, potencialmente mais vegetação. Além disso, as temperaturas mais frias do solo no aspecto norte desaceleram os processos químicos do solo. Um solo com aspecto meridional tende a apresentar gramíneas, temperaturas de solo mais altas e maior evaporação.

O efeito líquido é mais envelhecimento do solo com o aspecto norte em comparação com o solo com o aspecto sul, mesmo com as temperaturas do solo mais frias.

Solos em uma paisagem

Em uma paisagem, uma sequência de solos com horizontes diferentes causados ​​por diferenças em sua profundidade em relação ao lençol freático é chamada de catena.

Uma catena normalmente consiste em quatro séries de solos, com solos localizados no cume, ombro, encosta e encosta como mostrado na Figura 5.

Drenagem e profundidade do lençol freático

Para cada série de solo, veja como a drenagem é caracterizada e a profundidade do lençol freático:

Cume: Bem drenado, com o lençol freático a mais de 4 pés abaixo da superfície.

Ombros: moderadamente bem drenados, com o lençol freático entre 3 e 4 pés abaixo da superfície.

Declive: um pouco mal drenado, com o lençol freático entre 60 e 90 centímetros abaixo da superfície.

Declive: mal drenado, com o lençol freático a menos de 60 cm abaixo da superfície.

Idade de desenvolvimento

Neste grupo de solos, o cume e a encosta são os mais desenvolvidos. Se a encosta tiver uma inclinação superior a 20 por cento, ela sofrerá erosão e será menos desenvolvida do que o cume. O cume é nivelado, então não há erosão para retardar o desenvolvimento do solo.

O ombro está corroído, retardando o desenvolvimento. O desenvolvimento também diminui com o declive porque está sujeito a uma quantidade considerável de deposição de solo. A má drenagem retarda ainda mais o desenvolvimento, pois a água não se move pelo solo e as temperaturas do solo tendem a ser mais frias.

O solo inclinado em uma catena geralmente é o menos desenvolvido ou o mais jovem do grupo. Um exemplo de catena em Minnesota consiste nas séries de solos Clarion, Nicollet, Webster e Glencoe.

O tempo é o quinto fator na formação do solo. Com o tempo, a vegetação e o clima atuam no material original e na topografia. O desenvolvimento, não a idade cronológica, determina a idade de um solo.

O grau de envelhecimento depende da intensidade dos outros quatro fatores de formação do solo. Fatores que retardam a formação do solo incluem:

Alto teor de cal no material original.

Alto conteúdo de quartzo no material original.

Alto teor de argila no material original.

Material de base de rocha dura (resistente ao intemperismo).

Deposição, acumulação e mistura constantes por animais ou pelo homem.

Horizontes e séries do solo

Esses cinco fatores de formação do solo têm diferentes influências, fazendo com que diferentes horizontes de solo se formem.

Os cientistas usam as diferenças ou semelhanças dos horizontes dos solos para categorizar solos semelhantes em séries de solos. As propriedades de cada série de solo influenciam as decisões de manejo do solo.

Os horizontes do solo são faixas ou camadas horizontais no perfil do solo. Os horizontes principais, chamados de horizontes mestres, são O, A, E, B, C e R.

Horizontes e características

O horizonte O é um horizonte orgânico com pouco material mineral. Pode ser encontrada em solos florestais, quando folhas ou agulhas que caem no solo formam uma fina camada orgânica. Em antigas áreas de junco e turfeiras, o horizonte orgânico pode ter 30 a 60 polegadas de espessura. O resto dos horizontes são compostos predominantemente de materiais minerais.

O horizonte A é normalmente encontrado na superfície. É uma zona de acúmulo de matéria orgânica, com até 10% de matéria orgânica. Por causa da matéria orgânica, é de cor mais escura. Em um bom solo, a estrutura do solo é granular.

O horizonte E é normalmente encontrado em paisagens florestais. É encontrado no horizonte logo abaixo do horizonte A, onde a matéria orgânica, partículas de argila e outros produtos químicos foram movidos. Os horizontes E tendem a ser claros (cinza a branco) e têm uma estrutura achatada.

O horizonte B é um horizonte de subsolo que é uma zona de acumulação. 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.

Modelo

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

Ao final desta seção, você será capaz de fazer o seguinte:

  • 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.

Clima

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.

Fatores biológicos

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.

Resumo da Seção

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.

Visual Connection Questions

(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.

Perguntas de revisão

Which factors affect soil quality?

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

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.

Notas de rodapé

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

Glossário


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.


Métodos

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.