Presence, quantification and analysis of ironstone in a Guanajibo soil profile

Abstract

Plinthite is defined as a weakly cemented material rich in iron, poor in humus –a mixture of clay and other diluents, such as quartz. It commonly occurs as dark red redox concentrations that can change irreversibly to ironstone hardpans or irregular aggregates on exposure to repeated wetting and drying. The presence of this material may affect plant root growth, soil fertility as well as soil drainage, acidity, and management. The studied soil belongs to the Guanajibo series and is located in the municipality of Cabo Rojo, Puerto Rico. The objectives of this study were: (i) determine soil layers color and ground ironstone colors and relate these to mineral components; (ii) quantify on volume and mass bases the presence of ironstone in each soil profile; (iii) determine mineral components in ironstone and soil by x-ray diffraction (XRD) and determine the content of iron and aluminum from each horizon by extracting the soil and grounded ironstone by two distinct methods: citrate-bicarbonate dithionite (CBD) and ammonium oxalate (OX). The CBD method extracts the crystalline fraction of the iron while the OX method removes the iron complexes with organic matter and amorphous iron. We suggest that reddish 10R and 5YR are associated to the presence of hematite and reddish yellow (2.5YR to 7.5YR) are associated with the presence of goethite. The highest content of ironstone was found in the upper horizon Ap, with a reduction in the next two lower horizons Bt and Btv1. An increase was observed in horizon Btv2 indicating that the soil was formed by alluvial deposits. The content of iron oxides and the effective cation exchange capacity (ECEC) were related to the clay content of each horizon. Higher clay content coincided with higher iron oxides content and higher ECEC. The opposite was observed for aluminum oxides content. The ECEC was low in all horizons, indicative of the presence of highly weathered minerals. This finding was confirmed by XRD analysis, showing minerals such as kaolinite, goethite, quartz, hematite and gibbsite. The main component of ironstone was goethite and the main component of the soil was kaolinite. Each horizon was classified as plinthic or not plinthic following the requirements established by the USDA- Natural Resources Conservation Service: the soil fine-fraction must have more than 2.5% of iron in the CBD extraction, and a ratio between OX and CBD extractable iron (OX/CBD) of less than 0.10. Of the five horizons only Btv1 was classified as plinthic, showing 2.8% CBD extractable iron and a ratio less than 0.10. The other horizons met with the requirement of a OX/CBD ratio less than 0.10, but all had less than 2.5% of iron extracted by the CBD method.

Plintita se define como un material poco cementado rico en hierro y pobre en humus. Está compuesto de arcilla y otros minerales meteorizados como cuarzo. Comúnmente ocurre como concentraciones redox de color rojizo oscuro que pueden cambiar de forma irreversible formando capas duras de mineral de hierro o agregados irregulares por exposición a humedecimiento y secado repetidos. La presencia de estas capas endurecidas puede afectar el crecimiento de raíces de las plantas, la fertilidad del suelo, así como el drenaje del suelo, la acidez y su manejo. El suelo estudiado pertenece a la serie Guanajibo y se ubica en la municipalidad de Cabo Rojo, Puerto Rico. El mismo fue analizado para: (i)determinar el color de cada horizonte para el suelo y la roca férrica y relacionar esos colores con la composición mineralógica; (ii) cuantificar a base de volumen y masa la presencia de “ironstone” en cada horizonte; (iii) determinar por medio de difracción de rayos-x (XRD) los componentes minerales de la roca y suelo, y determinar el contenido de hierro y aluminio de cada horizonte por medio de dos extracciones: Citrato-Bicarbonato Ditionato (CBD) y Oxalato de Amonio (OX). El método de CBD extrae la fracción cristalina del hierro mientras que el método de OX extrae el hierro acomplejado con la materia orgánica y el hierro amorfo. Sugerimos que colores rojizos 10R a 5YR están asociados con la presencia de hematita y colores rojizos amarillentos (2.5YR a 7.5YR) están asociados con la presencia de goetita. El contenido más alto de “ironstone” se encontró en el horizonte superior Ap, este contenido se redujo en los próximos dos horizontes inferiores, Bt y Btv1, para luego aumentar en el horizonte Btv2, corroborando así la formación aluvial del suelo Guanajibo. El contenido de óxidos de hierro y la capacidad de intercambio de cationes efectiva (CICE) fueron relacionados con el contenido de arcilla de cada horizonte, mostrando que a mayor contenido de arcilla mayor contenido de óxidos de hierro y mayor CICE. Por otro lado, se obtuvieron valores bajos en el contenido de óxidos de aluminio. La CICE fue baja en todos los horizontes, indicativo de un alto contenido de minerales meteorizados. Este hallazgo fue corroborado mediante el análisis de XRD el cual mostró la presencia de caolinita, goetita, cuarzo, hematita y gibsita. El componente principal de la roca fue goetita mientras el componente principal del suelo fue caolinita. Cada horizonte se clasificó como plintico o no plintico siguiendo los parámetros del Servicio de Conservación de Suelo y Recursos Naturales del Departamento de Agricultura de Estados Unidos (NRCS-USDA por sus siglas en inglés). La clasificación de plíntico requiere de un contenido mayor de 2.5% de hierro extraído por el método de CBD y una proporción entre el contenido de hierro extraído con OX y el hierro extraído con CBD (OX/CBD) menor de 0.10. De los cinco horizontes solo Btv1 fue clasificado como plíntico, mostrando un valor de 2.8% de hierro extraído con CBD. Los otros horizontes cumplieron con el requerimiento de una proporción (OX/CBD) menor de 0.10 pero contenían menos de 2.5% de hierro extraído por el método de CBD.