Occurrence and characterization of Mn nodules in a Toposequence at Coloso valley agricultural reserve

Abstract

Manganese (Mn) nodules are sedimentary rocks, generally spherical or irregularly round in shape with concentric layers formed from manganese and iron mineral precipitation. These are redoximorphic features in soils with fluctuating high water table. This study aimed to: (i) evaluate taxonomically the soil profiles, (ii) determine the occurrence of manganese nodules in the soil horizons, (iii) evaluate physical and chemical properties of Mn nodules, and (iv) theorize about manganese nodules formation mechanism in the Coloso Valley Agricultural Reserve. A toposequence comprising three soil series, Rio Piedras (Typic Hapludults), Bajura (Vertic Endoaquolls), and Coloso (Vertic Dystrudepts) was selected for the study. The largest Mn nodules were observed in the Ap horizon of the Rio Piedras soil series; however this site had the fewest nodules. Two grams of manganese nodules per 800 g of soil were observed. In Bajura and Coloso soil series, the largest occurrence of manganese nodules was observed in the Bwg horizon. The nodule mass in Bajura soil was 11 g/800 g and in Coloso soil it was 15 g/800 g. Manganese nodules from Rio Piedras soil were well formed with clearly defined concentric layers. In Coloso and Bajura soils the Mn nodules were not well formed and irregular masses of Mn oxides were observed on soil peds. XRD analyses of manganese nodules from the three soils indicate the presence of lithiophorite and todorokite. Coloso and Bajura soils occur at the lower levels in the toposequence, where they are subjected to wet and dry cycles. In Bajura and Coloso soils a more active redox process of Mn is taking place. This process results in the formation of small manganese nodules and masses. Rio Piedras soil occurs at higher elevation and the water table never saturates the soil profile. The highest rate of oxidation creates stability and well formed nodules. The presence of Mn nodules in the Ap horizon of Rio Piedras soil indicates significant changes in hydrologic conditions in this toposequence, suggesting a soil uplifting event.

Los nódulos de manganeso (Mn) son rocas sedimentarias generalmente esféricas o irregularmente redondas caracterizadas por la presencia de láminas concéntricas formadas por óxidos de Mn, en láminas alternadas con óxidos de hierro. Éstos son estructuras redoximórficas en suelos con un nivel freático fluctuante. Este estudio tuvo como objetivo: (i) evaluar taxonómicamente los perfiles de suelo (ii) determinar la incidencia de nódulos de Mn en los horizontes de los suelos, (iii) evaluar las propiedades físicas y químicas de los nódulos de Mn y (iv) teorizar sobre los mecanismos de formación de los nódulos de Mn en la Reserva Agrícola del Valle Coloso. Una toposecuencia compuesta por tres series de suelo, Río Piedras (Typic Hapludults), Bajura (Vertic Endoaquolls) y Coloso (Vertic Dystrudepts), fue seleccionada para el estudio. Se observó que los nódulos de Mn de mayor tamaño se encontraban en el horizonte Ap de la serie de suelo Río Piedras, sin embargo su incidencia fue menor. Dos gramos de nódulos de manganeso por 800 g de suelo fueron observados. En las series de suelo Bajura y Coloso, se observó la mayor incidencia de nódulos de manganeso en el horizonte Bwg. La masa de nódulos en el suelo Bajura fue de 11 g/800 g y en Coloso fue de 15 g/800 g de suelo. Los nódulos de manganeso del suelo Río Piedras estaban bien formados y con capas concéntricas claramente definidas. En los suelos Coloso y Bajura los nódulos de Mn no estaban bien formados y se observaron masas irregulares en los agregados del suelo. El análisis de difracción de rayos X de los nódulos de manganeso indicó la presencia de litioforita y todoroquita en los tres suelos. Los suelos Coloso y Bajura se encuentran en los niveles más bajos de la toposecuencia, donde están expuestos a fluctuaciones del nivel freático con mayor frecuencia. En los suelos Bajura y Coloso reacciones de reducción y oxidación de Mn son más activas. Este proceso resulta en la formación de pequeños nódulos y masas de manganeso. El suelo Río Piedras se encuentra a mayor elevación y el nivel freático no satura el perfil del suelo. La mayor tasa de oxidación crea estabilidad y nódulos bien formados. La presencia de nódulos de manganeso en el horizonte Ap del suelo Río Piedras indica cambios significativos en las condiciones hidrológicas en esta toposecuencia, y sugiere un posible levantamiento del terreno.