Nature and evolution of a soil toposequence at coloso valley agricultural reserve

Abstract

Soil physical, chemical and mineralogical properties of four profiles in a Rio Piedras-Bajura toposequence at Coloso Valley Agricultural Reserve were evaluated to theorize about the nature and evolution of these soil series over the last 49 million years. Rio Piedras soil series (Ultisol) formed from manganese enriched volcaniclastic and stratified sedimentary rocks, deformed by the compressive movement of tectonic uplift in western Puerto Rico. Bajura soil series (Mollisol) formed from alluvial deposits eroded from adjacent rocks. The Ultisol predominates in the highest parts of the valley, and the Mollisol in the lower parts. Soil profiles along the toposequence, at shoulder, backslope, footslope and valley landscape positions were evaluated. In the area occupied by the Rio Piedras soil series at shoulder position, a profile with an atypical vertical stratification was identified. Soil texture, aggregate stability, structure, color, pH, cation exchange capacity, organic matter content, presence of manganese masses or concretions, iron and aluminum oxides and the mineralogy of the clay fraction were evaluated. Yellowish and redish hues (2.5YR, 5YR, 7.5YR, 10YR and 10R), dominant in Rio Piedras profiles, were associated with an increase in iron and aluminum oxides with soil ageing. Brownish to yellowish and gley colors that dominated Bajura (2.5YR, 10YR and Gley) were associated to redox reactions during water table fluctuations. A clayey texture predominates along the toposequence, but a higher content of sand and silt was observed in Bajura, soil located at the lowest position in the toposequence. Aggregate stability (62% - 76%) and organic matter (0 - 3.3%) content in soil surface increased downslope, as we move from the Ultisol to the Mollisol. Surface pH also increased downslope (3.8 - 6.6). Soil exchangeable Al3+ content was very high in Rio Piedras profiles, reaching values over 30 cmolc kg−1 in some instances. Bajura had a cation exchange capacity over 20 cmolc kg−1as expected for a Mollisol. The oxides content in the crystalline fraction was considerably higher than amorphous fraction. X-ray diffraction analysis of the clay fraction indicated the presence of micas, expansive (2:1) clays, chlorite, kaolinite, gibbsite, goethite, hematite and quartz minerals in all soil profiles and possible presence of manganese minerals pyrolusite or birnesite in Bajura, Rio Piedras footslope and some strata of the vertically stratified profile. Oxides ratios, mineralogy and color reflect the advanced weathering stage of Rio Piedras Ultisol. Main differences in soil properties are attributed to differences in parent materials and topography. Nature and evolution of Coloso Valley is associated to geological processes of Cerrillos Belt, Eocene in age (~49 Ma). Manganese nodules occurrence in Rio Piedras soil may be a weathering product from these rocks while masses of Bajura are of more recent origin due to water table fluctuations. Geological and pedological processes of the area resulted in the properties and evolution of this soil toposequence over time.

Las propiedades físicas, químicas y mineralógicas de cuatro perfiles de suelos en una toposecuencia de Rio Piedras-Bajura en la Reserva Agrícola del Valle de Coloso fueron evaluadas con el propósito de teorizar sobre la naturaleza y evolución de estas series de suelos en los últimos 49 millones de años. La serie de suelos Rio Piedras (Ultisol) se formó de rocas volcanoclásticas y sedimentarias estratificadas enriquecidas con manganeso, deformadas por los movimientos compresivos del levantamiento tectónico en el oeste de Puerto Rico. La serie de suelos Bajura (Molisol) se formó de los depósitos aluviales erodados de rocas adyacentes. El Ultisol predomina en las partes más altas del valle, y el Molisol en las partes más bajas. Los perfiles de suelos a lo largo de la toposecuencia fueron evaluados en las posiciones del hombro, ladera, falda y pie de la vertiente en el paisaje. En el área ocupada por el suelo Rio Piedras, en la posición del hombro de la pendiente, se identificó un perfil con una estratificación vertical atípica. La textura del suelo, estabilidad de agregados, estructura, color, pH, capacidad de intercambio catiónico, contenido de materia orgánica, presencia de masas o concreciones de manganeso, óxidos de hierro y aluminio y la mineralogía de la fracción de arcilla fueron evaluadas. Matices amarillentos y rojos (2.5YR, 5YR, 7.5YR, 10YR y 10R), dominantes en los perfiles de Rio Piedras, están asociados con un incremento en los óxidos de hierro y aluminio con el envejecimiento del suelo. Colores marrón a amarillento y gley (2.5YR, 10YR y Gley) que dominaron Bajura, están asociados a reacciones de oxidación y reducción durante fluctuaciones en el nivel freático. Una textura arcillosa predomina a lo largo de la toposecuencia, pero un contenido más alto de arena y limo se observó en el suelo Bajura localizado en la posición más baja de la toposecuencia. La estabilidad de agregados (62% - 76%) y contenido de materia orgánica (0 - 3.3%) en la superficie del suelo aumentaron pendiente abajo al moverse del Ultisol al Molisol. El pH de la superficie también aumentó pendiente abajo (3.8 - 6.6). El contenido de Al3+ intercambiable del suelo fue muy alto en los perfiles de Rio Piedras, alcanzando en ocasiones valores sobre 30 cmolc kg−1. Bajura tuvo una capacidad de intercambio catiónico sobre 20 cmolc kg−1, esperado para un Molisol. El contenido de óxidos cristalinos fue considerablemente más alto que en la fracción amorfa. Los resultados de difracción de rayos x para la fracción de arcilla indicaron la presencia minerales de mica, arcillas expandibles (2:1), clorita, caolinita, gibsita, goetita, hematita y cuarzo en todos los perfiles de suelos y la posible presencia de los minerales de manganeso pirolusita y birnesita en Bajura, Rio Piedras en la falda de la pendiente y algunos estratos del perfil verticalmente estratificado. La proporción de óxidos, mineralogía y color reflejan el avanzado estado de meteorización para el Ultisol. Las diferencias principales en las propiedades de los suelos son atribuidas a las diferencias en material parental y topografía. La naturaleza y evolución del Valle de Coloso es asociado a los procesos geológicos del Cinturón de Cerrillos, del Eoceno en edad (~49 Ma). La ocurrencia de los nódulos de manganeso en Rio Piedras pudiera ser producto de la meteorización de estas rocas, mientras que las masas de Bajura, producto de las fluctuaciones en el nivel freático, son de un origen más reciente. Los procesos geológicos y pedológicos en el área han resultado en las propiedades y evolución de esta toposecuencia de suelos a través del tiempo.