Physicochemical and mineralogical characterization of four Spodosols profiles in northern Puerto Rico

Abstract

Spodosols are a soil order with clearly distinct soil profile that have a dark surface horizon of organic origin, a bleached, eluvial E horizon, and a reddish, brownish or blackish B horizon, illuvial in nature enriched with amorphous material and organic matter- the spodic horizon. Spodosols are typical of cold and humid climates, and they form under coniferous forests. Four Spodosols profiles were evaluated in Carmen Regadera Farm, Vega Baja, Puerto Rico. The four profiles were described, and soil samples were collected using the horizon sampling method. Soil field texture was sand, loamy sand, sandy loam, and sandy clay loam and consistent with particle size analysis, which showed that the sand content was greater. Soil Aggregates formed in the deepest horizons and stability ranged from 1.12% to 96.9 %. Soil mineralogy of the clay fraction was determined by X-ray diffraction. All four profiles had similar mineralogy consisting primarily of kaolinite, gibbsite, goethite, hematite, quartz and amorphous material. XRD patterns of the B illuvial horizon shows peaks that correspond to aluminum and iron oxide along with kaolinite and amorphous material, when compared to the eluvial horizon that show a spectra that corresponds to quartz. Mineralogical results are consistent with selective dissolution techniques used to determine the Al3+ and Fe3+ from the soil using citrate-dithionite-bicarbonate (CBD) method, ammonium oxalate method (AAO) and sodium pyrophosphate method (SP). Using these selective dissolution techniques, we could determine that the Al3+ content was always greater than the Fe3+ content. The basic cation content was low for three profiles and pH values ranged from 4.16 to 5.19. Profile B showed pH values up to 7.1, possibly due to lateral movement of carbonate enriched water from adjacent areas. The organic matter content determined using the wet oxidation method of Walkley-Black is highest in the surface horizon of the profiles, decreases in the eluvial horizon and accumulates in the B horizon. The fulvic and humic acid from the spodic horizon was analyzed using Infrared Spectroscopy. The fulvic acid spectrum is less complex when compared to the humic acid spectra this shows that the degree of polymerization for humic acid is always higher than for fulvic acids. The spectra of humic and fulvic acids suggest that chelation occurs between functional groups and oxides and silicate minerals. Strong physical, chemical and mineralogical evidence exist within the four Spodosols profiles studied to show that the pedogenetic process of podzolization is manifested and soil properties are consistent with that of the Spodosols soil order. Differences in physical and chemical properties of the profiles evaluated suggest that these soils belong to the great groups Typic Alorthod and Typic Alaquod.

Los Spodosols son un orden de suelo con un perfil bien definido, que tiene un horizonte superficial de origen orgánico, un horizonte E eluvial blanqueado y un horizonte B de color rojizo, pardusco o negruzco, de naturaleza iluvial enriquecido con material amorfo y materia orgánica- el horizonte Espódico. Los Spodosols se forman en áreas húmedas de climas fríos bajo vegetación de coníferas. Se evaluaron cuatro perfiles de Spodosols en la Finca Carmen Regadera en Vega Baja, Puerto Rico. Se describieron los cuatro perfiles y se colectaron muestras de suelo utilizando el método de muestreo de horizontes. La textura de campo fue arenosa, arenosa franco, franco arenoso, y franco arcilloso. Estos resultados son consistentes con el análisis de partícula, que mostró que el contenido de arena era mayor. Los agregados de suelo se formaron en los horizontes más profundos y la estabilidad vario de 1.12% a 96.9%. La mineralogía de suelo de la fracción arcilla se determinó mediante difracción de rayos X. Los cuatro perfiles evaluados tenían una mineralogía similar que consistía de caolinita, gibsita, goetita, hematita, cuarzo y material amorfo. Los difractogramas del horizonte iluvial B muestran picos que corresponden a óxidos de hierro y aluminio, junto a caolinita y material amorfo, en comparación con el difractograma del horizonte eluvial que muestra picos que corresponden principalmente a cuarzo. Los resultados de mineralogía son consistentes con las técnicas de disolución selectiva utilizadas para determinar el contenido de Al 3+ y Fe 3+ del suelo utilizando el método de citrato-ditionato-bicarbonato (CBD), el método de oxalato de amonio (AAO) y el método de pirofosfato de sodio (SP). Usando estas técnicas de disolución selectiva se determinó que el contenido de Al 3+ era siempre mayor que el Fe 3. El contenido de cationes básicos fue bajo para tres perfiles y los valores de pH variaron de 4.16 a 5.19. El perfil B mostró valores de pH de hasta 7.1, posiblemente debido al movimiento lateral de agua enriquecida con carbonatos proveniente de zonas adyacentes. El contenido de materia orgánica determinado por el método de oxidación húmeda Walkley-Black es mayor en el horizonte superficial de los perfiles, disminuye en el horizonte eluvial y se acumula en el horizonte B. El ácido fúlvico y el ácido húmico del horizonte Espódico se analizaron mediante espectroscopia de infrarrojo. El espectro de ácido fúlvico es menos complejo cuando se compara con los espectros de ácido húmico, lo que demuestra que el grado de polimerización para el ácido húmico siempre es mayor que para los ácidos fúlvicos. Los espectros de los ácidos húmicos y fúlvicos del horizonte Espódico sugieren que la quelatación se produce entre grupos funcionales y óxidos y minerales de silicato. Las propiedades físicas, químicas, y mineralógicas comprueban que el proceso pedogenético de podzolización se manifiesta y que estas propiedades son consistentes con el orden de suelo Spodosols. Las diferencias en las propiedades químicas y físicas de los perfiles indican que estos suelos pertenecen al gran grupo de suelo Typic Alorthod y Typic Alaquod.