The use of invertebrate soil fauna in monitoring pollutant effects

A critical review of biological parameters used to indicate pollutant impact on soil quality was conducted. These parameters mention some soil invertebrates. The value of an indicative organism depends on its life expectancy, life style and specific importance. Nematodes, mites, collembolans, enchytraeids, earthworms, isopods and molluscs are good potential biological indicators. Biological indicators of bioaccumulation and biological indicators of effects (toxicological and ecological) can be distinguished. Bioaccumulation studies are difficult to interpret, as wide variations could be found, depending on taxonomic group, habitat, organ studied, soil type or even pollutant type. Some groups, such as Collembola, require in depth bioaccumulation studies. It is suggested to use a pool of macro-concentrators, including at least some earthworm, isopod and gastropod species. Toxicological indicators have been well studied and their lethal and sublethal pollutant effects are well known. However, studies have focused on only a few species, such as the earthworm Eisenia foetida or the collembolan Folsomia candida. These studies should be extended to other zoological groups, as well as to several species from the same group, to generate a representative test battery. Exposure biomarkers and physiological change studies should be emphasised, as they act as very early warning systems of contamination. Data are currently lacking on how soil biological processes malfunction due to pollution. We need to explore the links between pollutant effects on soil fauna and pollutant effects on soil functioning. Concerning ecological indicators, studies should develop sampling techniques and parameters, which are specific to ecotoxicological goals. Before-after impact control procedures should be carried out, to eliminate the background noise of the study site and only evaluate the influence of pollutants. On the other hand, ecological indices, such as taxonomic diversity or richness, should be used carefully especially concerning chronic pollution. Effects of pollutants on biological cycle studies seem very promising, but need further information on the life history strategies of many species. Furthermore, the pollutant tolerance of rare species should be considered. The different types of biological indicators yield complementary information on pollutant effects. They all need standard procedures. In this context, studies should be extended and diversified, and associate bioaccumulation, toxicological and ecological indicators to provide better information on soil quality.

Résumé

Une liste critique des paramètres biologiques utilisés dans certains travaux pour indiquer l'impact des polluants sur la qualité des sols a été établie. Ces paramètres font référence à un ou plusieurs invertébrés du sol. Le rôle d'organisme indicateur dépend de leurs caractéristiques biodémographiques, de leur mode de vie, de leur taille spécifique. Les nématodes, acariens, collemboles, enchytréides, vers de terre, isopodes et gastéropodes sont potentiellement des indicateurs biologiques. Indicateurs biologiques de bioaccumulation et indicateurs biologiques d'effets (toxicologiques et écologiques) peuvent être distingués. Les études de bioaccumulation sont difficiles à interpréter, car de fortes variations sont observées. Ces variations dépendent du groupe taxonomique étudié, de l'habitat, de l'organe étudié, du type de sol ou bien encore du type de pollution. Certains groupes, comme les collemboles demandent des études plus poussées à ce sujet. Il est suggéré d'utiliser un pool de macro-concentrateurs, avec au moins des espèces de vers de terres, isopodes et gastéropodes. Concernant les indicateurs toxicologiques d'effets, les études les plus nombreuses concernent les effets létaux et sublétaux. Toutefois ces études concernent peu de groupes taxonomiques (essentiellement le vers Eisenia foetida et le collembole Folsomia candida), et devraient être étendues à d'autres groupes zoologiques, ainsi qu'à différentes espèces du même groupe, afin de créer une batterie de tests représentatifs. Les travaux concernant les biomarqueurs et les changements physiologiques devraient être amplifiés, car ils permettent d'obtenir des systèmes d'alarme très précoces concernant l'impact des contaminants. Un manque persistant de données concerne les conséquences de pollutions sur le fonctionnement des écosystèmcs. Il est en effet important désormais d'explorer les liens entre les effets des polluants sur la faune du sol et les effets réels de ces mêmes polluants sur le fonctionnement des sols. Concernant les indicateurs écologiques, les travaux entrepris devraient développer des méthodes d'échantillonnage et des paramètres spécifiques au domaine écotoxicologique. Ainsi, il est préconisé d'entreprendre des études combinant les approches synchroniques et diachroniques. afin d'éliminer le bruit de fond induit par le site d'étude et évaluer uniquement l'influence du polluant. En outre, les indices écologiques, comme la diversité ou la richesse taxonomique, doivent être utilisés avec précautions, particulièrement lors des études de pollution chronique. Par ailleurs, les études concernant les effets de polluants sur les cycles biologiques semblent prometteuses, mais demandent de meilleures connaissances concernant les stratégies de vies des différentes espèces étudiées. De plus, la tolérance aux pollutions des espèces rares devrait être fortement prise en considération. Les différents types d'indicateurs biologiques fournissent des informations complémentaires. Ils demandent tous une standardisation des protocoles. Dans ce contexte, les études devraient être développées et diversifiées et associer les indicateurs de bioaccumulation avec les indicateurs biologiques d'effets pour améliorer l'information sur la qualité des sols.     

Field mesocosms for assessing biotic processes in soils: How to avoid side effects

Field mesocosms can overcome the simplicity and deficiencies of laboratory based experimental designs. This study deals with a number of possible side effects of a mesocosm technique that involves deep-freezing of soil monoliths to eliminate soil fauna, wrapping in nets of various mesh-size to control faunal immigration and replanting in the field. We used Berlese-Tullgren sets in the field to directly inoculate mesocosms with microarthropods. After 6 months of exposure, the number of collembolans equalled control level whereas immigration and inoculation of oribatids accounted for only 30% of the control. The number of ciliates, their distribution into feeding groups, and the numbers of nematodes, tardigrades and rotifers were not significantly affected by the elimination of mesofauna. We also did not detect significant treatment specific effects on microclimatic conditions within the litter layer of the mesocosms. Furthermore, we compared the monolith approach with a technique using sieved soil as a time-saving alternative. Water capacity and infiltration rate of mesocosms made of sieved soil did not differ from mesocosms made of monoliths, but NH₄⁺ losses were significantly higher in sieved soil when defaunated by deep-freezing. We conclude that the investigated mesocosm technique has little side effects and recommend the use of monoliths in mesocosm studies.

Résumé

La mise en œuvre de mésocosmes au champ peut être une alternative pour pallier la simplicité et aux imperfections des expérimentations en laboratoire. Cette étude aborde les différents effets secondaires potentiellement générés par une approche en mésocosmes, impliquant successivement i) une défaunation des monolithes de sol par congélation intense, ii) leur enrobage au moyen d'une toile de vide de mailles dans le but de contrôler l'immigration de la faune, iii) leur replacement au champ. À l'aide d'appareils de Berlèse-Tullgren utilisés sur place, les mésocosmes ont été ensuite directement inoculés avec les micro-arthropodes extraits. Après 6 mois d'incubation, l'abondance des collemboles est similaire à celle observée initialement dans le sol témoin alors que l'abondance des oribates, par immigration et inoculation, atteint seulement 30% de l'abondance observée dans le sol témoin. L'élimination de la mésofaune n'a pas affecté le nombre de ciliés et leur distribution dans les différents groupes trophiques, ni le nombre de nématodes, de tardigrades et de rotifères. De même, nous n'avons pas mis en évidence de manière significative d'effets secondaires, spécifiques au prétraitement des monolithes sur les conditions microclimatiques régnant au sein de la couche de litière dans les mésocosmes. L'approche en monolithes de sol est aussi comparée avec une approche par tamisage du sol, en tant que technique alternative permettant un gain de temps. La capacité de rétention en eau et le taux d'infiltration mesurés dans les mésocosmes constitués de sol tamisé et ceux constitués de monolithes de sol ne différent pas, mais les pertes en NH₄⁺ sont significativement plus élevées dans les mésocosmes faits de sol tamisé, après l'étape de défaunation par forte congélation. Nous concluons que la technique mésocosme proposée ici présente peu d'effets secondaires et nous recommandons l'utilisation de monolithes de sol pour des études en mésocosmes.     

Larval and adult species composition, phenology and life cycles of carabid beetles (Coleoptera: Carabidae) in an organic potato field

Carabid larvae and adults were collected by pitfall trapping and soil sampling for a period of 1 year from an organic potato field in western Austria. The main results and conclusions were the following. (i) Larval catches enriched the total species spectrum (n = 49) by 6 %. Recording of pre-adult stages seems to be necessary for a complete registration of a beetle coenosis. (ii) Twenty species were caught in adult as well as in larval stages, representing apparently the autochthonous Carabidae of the investigated field. (iii) The use of soil sampling enriched the larval ground beetle spectrum and provided additional data on the life cycle of certain species. Therefore additional methods to pitfall trapping are stated to be important. (iv) Epigaeic activity of winter larvae surpassed that of adults during late autumn, winter and early spring, whereas summer larvae lived mainly hemiedaphicly. (v) Third instar larvae showed the highest pitfall catches in most species, which was probably caused by their higher epigaeic activity and greater activity radius. (vi) Life cycles of Nebria brevicollis, Loricera pilicornis, Calathus fuscipes, Amara aulica, Harpalus rufipes, Bembidion lampros and B. properans are presented and discussed. Data of larvae support the concept of species which reproduce a second time or show two breeding cohorts throughout the year. (vii) Carabid larvae may possess interesting predation value in the regulation of certain pests due to a phenology and habitat that differ from that of adult beetles.

Résumé

Dans un champ de pommes de terre cultivé biologiquement dans l'ouest de l'Autriche, les larves et adultes de différentes espèces de carabes ont été récoltés par piégeage Barber et échantillonnage de sol pendant 1 an. Les principaux résultats et conclusions sont les suivantes. (i) La capture de larves a enrichi tout le spectre de l'espèce (n = 49) de 6 %. L'enregistrement des étapes pré-adultes semble donc être nécessaire pour obtenir une image complète d'un peuplement de coléoptères. (ii) Les vingt espèces de larves et d'adultes récoltées semblent bien représenter la composition de carabes autochtones de la zone étudiée. (iii) L'échantillonnage du sol a enrichi le spectre larvaire carabiques et a fourni des données supplémentaires sur le cycle de vie de certaines espèces. Des méthodes complémentaires au piégeage Barber semblent donc être importantes. (iv) Tandis que les larves en été sont principalement semi-édaphiques, l'activité épigée des larves en hiver a surpassé celle des adultes pendant l'automne, l'hiver et le début de printemps. (v) En raison probablement de leur activité épigée plus élevée et de leur rayon d'action plus grand, c'est dans les pièges Barber que le plus grand nombre de larves de troisième stade de la plupart des espèces a été observé. (vi) Les cycles de développement de Nebria brevicollis, Loricera pilicornis, Calathus fuscipes, Amara aulica, Harpalus rufipes, Bembidion lampros et B. properans sont présentés et discutés. Les données larvaires confirment l'idée que ces espèces se reproduisent deux fois par an ou que deux cohortes successives peuvent se reproduire chaque année. (vii) En raison d'une phénologie et d'un habitat qui diffèrent de celui des coléoptères adultes, les larves de carabes pourraient jouer un rôle important dans la régulation de certains parasites.     

Diversity and dynamics of eco-units in the biological reserves of the Fontainebleau Forest (France): Contribution of soil biology to a functional approach

Beech integral biological reserves of the Fontainebleau forest (France) display varied site conditions due to geomorphological heterogeneity and to interactions between biological components of the ecosystem. Taking examples in shifts observed in plant communities following gap opening, the authors show that, as Oldeman viewed it, tree-fall gaps seem to be the driving force in sylvigenesis as well as a source of spatial biodiversity. Studies carried out on macromorphological features of humus profiles and on the behaviour of soil invertebrate communities (Lumbricidae and Nematoda) pointed out two key aspects of forest functioning. First, the renewal of the forest ecosystem is linked to the dynamics of humus forms and of soil animal functional groups, featuring the regeneration of trees. Second, tree-fall gaps are places where the forest ecosystem is destabilized and thereafter may renew itself or on the contrary may evolve towards another ecosystem, showing either a co-adaptation between the sylvigenetic and the edaphic cycle, or a discordance between these two cycles. These two aspects (co-adaptation and discordance), important from the point of view of fundamental ecology and forest management, suggest a need for further field research.

Résumé

La hêtraie des réserves biologiques intégrales de la forêt de Fontainebleau offre des situations naturelles variées en fonction de l'hétérogénéité géomorphologique et des interactions entre les composantes biologiques de l'écosystème. Prenant comme exemple l'évolution des associations végétales au sein des clairières, les auteurs montrent que, selon la conception d'Oldeman, le chablis apparaît comme l'élément moteur de la sylvigénèse et un facteur important de biodiversit é spatiale. Des études portant sur la caractérisation macromorphologique des profils d'humus et le comportement des peuplements d 'invertébrés du sol (Lumbricidae, Nematoda) mettent en avant deux points importants pour le fonctionnement de l'écosysteme forestier. Premièrement, le renouvellement de l'écosystème est associé à la dynamique des humus et des groupes fonctionnels de la pédofaune, façonnant ainsi la niche de régénération. Deuxièmement, les clairières apparaissent comme une zone de rupture de l'écosystème forestier pouvant lui permettre, soit de se renouveler, soit d'évoluer vers un autre écosystème, montrant ainsi soit une co-adaptation entre le cycle sylvigénétique et le cycle édaphique, soit une discordance entre ces deux cycles. Cette approche fonctionnelle par le biais de la biologie des sols suggère une réflexion touchant autant l'écologie fondamentale que la gestion forestière.     

Estimate of N2-fixation in waste-derived compost after treatment with glucose

It has been shown previously that treatment of grass swards cultured in waste-derived compost and treated with 8–24 g (5–15 g·L⁻¹) glucose over 8 weeks resulted in a substantial increase of shoot dry matter and total nitrogen content, while a growth inhibiting effect was observed in unamended field soil. The improved sward performance in compost was associated with a significant expansion of the aerobic, diazotrophic bacterial population in the growth medium. The purpose of the present experiment was to measure the contribution of N₂-fixation to the improved growth. Glucose treatment resulted in the fixation of at least 128 mg total nitrogen per pot (equivalent to 14.5 mg N fixed per g C respired; 104 kg·ha⁻¹), with 32 % made available to shoots for growth over the following 6 months. There was no evidence of accelerated soil organic matter decomposition that could account for the increased N availability.

Résumé

Nous avons montré précédemment que les pelouses prairiales arrosées avec des eaux issues de compost traitées avec 8–24 g de glucose (5–15 g·L⁻¹) pendant 8 semaines voient une augmentation substantielle de la matière sèche et de la teneur en azote des pousses alors qu'un effet inhibiteur de croissance est observé sur les sols non traités. L'amélioration des performances prairiales sont associées à une augmentation significative des population de bactéries aérobies fixatrices d'azote libre. Le but de l'expérimentation présentée ici était d'évaluer la contribution de la fixation d'azote dans l'amélioration de la croissance. Le traitement par le glucose conduit à la fixation d'au moins 128 mg d'azote par pot (équivalent à 14,5 mg d'azote fixé par g de C respiré; 104 kg·ha⁻¹), dont 32 % utilisable pour la croissance des pousses durant les 6 mois suivant. Aucune accélération de la décomposition de la matière organique n'est détectée, qui pourrait contribuer à cette augmentation d'azote disponible.     

Longevity of microbial and enzyme activity and their influence on NPK content in pressmud vermicasts

Total microbial population and their activity (CO₂ evolution), macronutrients (N, P, K) and enzymes (dehydrogenase and phosphatase activities) in the uningested pressmud, fresh casts and 15- and 30-d-old pressmud vermicasts of two composting worms, Lampito mauritii and Eudrilus eugeniae, have been determined. Enhancement of microbial population and activity, NPK content and enzyme activities in the fresh casts are due to enhanced mineralization of nutrients, high substrate concentrations and high moisture level. As the vermicast become aged, there is a reduction in the moisture level leading to reduction in microbial population and activity. Consequently reduced microbial activity leads to reduced enzyme activity and NPK contents. Dryness of aged vermicasts implies the loss of N through volatilization, leaching and denitrification. Reduction in P is due to lesser conversion of organic to inorganic P due to reduced microbial activity. Loss of K input is due to leaching.

Résumé

La population microbienne totale et son activité (dégagement de CO₂), les nutiments (N, P, K) et les activités enzymatiques (déshydrogénase et phosphatase) dans des résidus de canne à sucre (bagasse), ainsi que dans des turricules frais et des turricules âgés de 15 et 30 j, formés à partir de ce matériau organique par deux vers de terre composteurs, Lampito mauritii et Eudrilus eugeniae, ont été étudiés. L'augmentation de la population bactérienne et son activité, des teneurs en N, P, K et des activités enzymatiques dans les turricules frais sont liés à un accroissement de la minéralisation des nutriments, à la forte concentration en substrat organique et à la forte teneur en eau. Lorsque les turricules vieillissent, la réduction de cette teneur en eau conduit à une diminution de la population bactérienne et de son activité. Ceci conduit également, par conséquent, à une diminution des activités enzymatiques et des teneurs en N, P, K. La dessiccation des turricules entraîne une perte d'azote par volatilisation, lessivage et dénitrification. La réduction des teneurs en phosphore est due à une moindre conversion du P organique en P inorganique par les microorganismes. La perte de potassium se fait par lessivage.     

Aggregate stability of a crusted soil: differences between crust and sub‐crust material,and consequences for interrill erodibility assessment. An example from the Loess Plateau of China

Soil interrill erodibility is a key component of soil erosion models. However, when using aggregate stability to assess soil erodibility, samples are usually collected from the plough layer, while soil erosion occurs at the soil surface. Hence, the potential changes in erodibility caused by crusting are ignored. Moreover, soil interrill erodibility is difficult to predict accurately. This lack of predictability means that current erosion models use a constant erodibility value for a given soil, and thus do not consider potential heterogeneity of erodibility. This study was conducted to (i) assess the heterogeneity of aggregate stability for a crusted soil and (ii) relate this heterogeneity to the aggregate stability of the underlying material (sub‐crust) and to standard soil properties. A field study was conducted in a small area of the Loess Plateau in China in which the crust and the sub‐crust soils were sampled. Standard soil properties (organic matter content, sand content, silt content, clay content, cation exchange capacity (CEC), pH in water, and water content at the time of sampling) were measured as potential explanatory factors of aggregate stability. The results showed a large heterogeneity in aggregate stability among the sites, even though the sites had the same soil type. The mean weight diameter (MWD) of the crust varied between 0.33 and 2.04 mm while the MWD of the sub‐crust varied between 0.23 and 1.42 mm. Soil texture and pH were uniform among the sampling sites, whereas water content, organic matter content and CEC varied more. Even though some correlations existed (for example r = 0.57 between MWD for the slow wetting test and organic matter content), none of the standard soil properties was able to predict aggregate stability accurately. The aggregate stability of the crust was significantly greater than that of the sub‐crust. The large differences in aggregate stability imply large differences in soil interrill erodibility. Because a single soil type was investigated, this finding proves that erodibility can vary greatly in space even for a given soil type. Soil interrill erodibility should be estimated from the exact material exposed to erosive forces, the soil surface material. Using the sub‐crust would have led to greatly over‐estimated erodibility and thus to a marked bias in erosion model predictions. Résumé La stabilité structurale d'un sol encroûté : différences entre la croûte et le matériau sous‐jacent, et conséquences pour l'estimation de l'érodabilité inter‐rigole. Un exemple dans le Plateau de Loess (Chine) L'érodabilité inter‐rigole est un paramètre clef des modèles d'érosion du sol. Cependant, lorsque des tests de stabilité structurale sont utilisés pour évaluer l'érodabilité, les mesures sont habituellement réalisées sur des échantillons prélevés dans l'horizon labouré alors que l'érosion a lieu à la surface du sol. Ainsi, les changements potentiels d'érodabilité causés par la formation de croûte sont ignorés. De plus, l'érodabilité inter‐rigole reste encore difficile à prédire avec précision. Ces difficultés conduisent les modèles d'érosion à utiliser une érodabilité constante pour un type de sol donné, et donc à ne pas considérer l'hétérogénéité potentielle de l'érodabilité. Cette étude a été conduite pour (i) évaluer l'hétérogénéité de la stabilité structurale pour un sol encroûté et (ii) relier cette hétérogénéité à la stabilité structurale du matériau sous‐jacent (sous‐croûte) et aux propriétés standards du sol. Une étude de terrain a été réalisée sur un secteur de surface limitée du Plateau de L?ss (Chine). Des échantillons provenant de la croûte et de la sous‐croûte ont été collectés. Les propriétés standards (teneur en carbone organique, teneurs en sable, limon et argile, CEC, pH, et teneur en eau au prélèvement), ont été mesurées en tant que facteurs explicatifs potentiels de la stabilité structurale. Les résultats ont montré une grande hétérogénéité de la stabilité structurale entre les différents sites alors que ces derniers présentaient le même type de sol. Le MWD de la croûte variait entre 0.33 et 2.04 mm tandis que le MWD de la sous‐croûte variait entre 0.23 et 1.42 mm. La texture du sol et le pH étaient très homogènes entre les sites étudiés, tandis que la teneur en eau, la teneur en matière organique et la CEC variaient plus fortement. Bien que certaines corrélations aient été identifiées (par exemple r = 0.57 entre le MWD du test à l'humectation lente et la teneur en carbone organique), aucune de ces propriétés n'a permis de prédire précisément la stabilité structurale. La stabilité structurale de la croûte était significativement supérieure à celle de la sous‐croûte. Les grandes différences de stabilité structurale mesurées impliquent des érodabilités très contrastées. Comme un seul type de sol a été étudié, ce résultat prouve que l'érodabilité peut être très variable spatialement pour un type de sol donné. L'érodabilité inter‐rigole du sol devrait être mesurée sur le matériau exact qui subit l'érosion, c'est‐à‐dire le matériau de surface. L'utilisation du matériau sous‐jacent aurait engendré une forte surestimation de l'érodabilité et donc un biais important dans les prédictions d'un modèle d'érosion.     

Soil organic matter and nutrient pools under long‐term non‐burning management of sugar cane

We employed CP/MAS ¹³C NMR spectroscopy and classical humus fractionation to evaluate the behaviour of soil organic matter (SOM) resulting from long‐term sugar cane production when harvested without burning. Soil samples were collected at two depths (0–0.2 and 0.2–0.4 m) from a tropical Entisol cropped with sugar cane for 55 years at Campos dos Goytacazes (Brazil), either with or without burning crop residues when harvesting. Continuous incorporation of sugar cane residues increased carbon (C) content and promoted changes in SOM, including increases in humins, humic acids and aromatic C moieties. Sequential extraction methods showed enhanced amounts of available forms of nitrogen (N), sulphur (S) and phosphorus (P). Moreover, ³¹P NMR analysis revealed an increase in organic P as diester phosphates of plant origin in the humic acids fraction. The increased macronutrient bioavailability of labile forms of N, P and S could be partially related to the more hydrophobic nature of SOM observed in soil samples collected from areas that were not burnt. These results show that the long‐term non‐burning management of sugar cane harvest promotes the hydrophobic character of SOM and a more conservative and sustainable management of soil fertility. Matière organique du so let stockage de nutriments en manègement de longue durée et pas brûlé de la cane au sucre Résumé Le comportement de la matière organique du sol (MOS) a étéévalué sur une plantation de canne à sucre de longue durée, sans brûlis, par spectroscopie CP/MAS ¹³C NMR et la méthode classique de fractionnement et caractérisation de l’humus. Des échantillons de sol ont été prélevés dans une plantation de canne à sucre en culture continue depuis 55 ans, installée à Campos dos Goytacazes (Brésil) sur un entisol tropical. L’échantillonnage a été réaliséà 0–0.2 m et 0.2–0.4 m de profondeur sur des parcelles sous différents modes de mise en culture: parcelles comportant des récoltes précédées de brûlis des résidus et d’autres sans brûlis. L’incorporation continue des résidus de canne à sucre a provoqué l’augmentation du carbone (C) et des variations de la matière organique du sol (MOS), avec notamment l’augmentation des teneurs en humines, acides humiques et carbone aromatique. Les méthodes d’extraction séquentielle ont permis de détecter l’augmentation des quantités d’azote (N), de soufre (S) et de phosphore (P) disponibles. En outre, l’analyse RMN ³¹P effectuée sur les fractions d’acides humiques a révélé une augmentation des quantités de phosphore organique sous forme de diester de phosphates d’origine végétale. L’augmentation de la biodisponibilité de macronutriments (formes labiles de N, P et S) pourrait partiellement être attribuée au caractère hydrophobe de la matière organique plus expressif sur les échantillons de sol prélevés dans les parcelles sans brûlis. Ces résultats montrent que la pratique de non‐brûlis des résidus, à long terme, dans les plantations de canne à sucre, favorise le caractère hydrophobe de la matière organique du sol provoquant une gestion plus conservatrice et durable de la fertilité des sols.     

Confirmation, par l''etude des inclusions intracristallines, de l''origine superficielle de quartz pyramides

Quartz crystals have been found in colluvial materials overlying outcrops of ultrabasic rocks in New Caledonia. Two types of crystals were recognized on the basis of inclusions within their structures. These are designated here as type a and type b. Type a crystals are pyramidal.Crystals of type a have two kinds of liquid inclusions. One kind consists of fluid in primary cavities 5–30 μm in diameter. Because the fluid consists of a single liquid phase, it must have been entrapped at low temperature ( 30°C) as the crystals were being formed. Microscopic examinations indicate that this liquid phase is fresh water rather than saline water. The second kind of liquid inclusions consists of fresh water that penetrated to the hearts of type a crystals by means of secondary fissures and was trapped in secondary cavities. Beside these liquids, solid inclusions are minute automorphic grains of quartz distributed throughout the crystals.In the rather scarce crystals of type b, it is difficult to distinguish primary from late inclusions, both of which can occur in quartz. However, the cavities contain two-phase inclusions: liquid phases and vapour bubbles. The liquid is saline water which was entrapped at a temperature of at least 120°C.Thus, the study of the liquid inclusions in type a and b quartz crystals demonstrates that: (1) type b crystals have crystallized in a warm and saline medium; consequently, they are detrital; (2) pyramidal quartz of type a is believed to have been formed in this pedologic environment. Within the colluvium in which they occur, weathering of peridotitic rock by meteoric water could provide the necessary silicon for crystal growth.It is postulated that minute “seeds” crystallized and sprinkled down periodically on the growing surfaces of the type a crystals and were then engulfed by further growth to become inclusions. The presence of minute quartz “seeds” as inclusions indicates that these large pyramidal crystals were formed within a soil void.The abundant secondary fissures containing fresh water are surprising in such well preserved mineral grains. The fissures and fluid inclusions would be expected to make the quartz grain more readily subject to weathering and dissolution than normal for the mineral.The presence of secondary water within quartz crystalz underscores the hazards of assigning all elements found through chemical analyses of minerals to their lattice structure.The study of fluid inclusions within crystals seems to offer an approach in pedology and surface geology for identification of environmental conditions under which soils were formed and sediments deposited.

Résumé

Des cristaux de quartz ont été découverts dans des matériaux colluviaux recouvrant les pentes d'un massif de roches ultrabasiques altérées en Nouvelle Calédonie.L'étude de leurs inclusions intracristallines a permis de distinguer deux types de cristaux: a et b; les cristaux de type a sont pyramidés.Les cristaux de type a présentent deux familles de cavités. Des cavités d'origine primaire (5–10 μm) ont un remplissage monophasé d'eau douce, piégée donc à une température 30°c C. Des fissurations tardives des cristaux ont fait pénétrer de l'eau non saline jusqu'au coeur des cristaux. Cette eau douce est piégée dans des cavités secondaires. A côté des liquides piégés, les cavités contiennent des inclusions solides, il s'agit de très petits cristaux de quartz automorphes.Les cristaux de type b sont peu nombreux, leurs inclusions fluides sont salines et biphasées (liquide et bulles de retrait) et ont été emprisonnées à une température au moins égale à 120° C (données de la microthermométrie de ces inclusions).L'étude des inclusions des quartz a et b démontre que si les quartz b ont cristallisé dans un milieu salin à température élevée et sont, par conséquent, détritiques dans cet horizon pédologique, il apparaït que les quartz pyramidés a se sont formés dans ce niveau même. L'altération des roches péridotiques par des eaux météoriques ayant fourni la silice nécéssaire à cette croissance cristalline.La présence de petits germes de quartz qui ont périodiquement saupoudré les faces de croissance des cristaux pyramidés avant d'être piégés lors de la poursuite de la cristallisation démontre que le quartz se développait dans une cavité du sol permettant à ces petits cristaux de se déposer sur des faces de croissance.Il est remarquable de rencontrer dans ces cristaux un champ fissural très important. Ces fissures accentuent la vulnérabilité des quartz vis à vis de l'altération et de la dissolution.D'une façon générale, la mise en évidence d'eaux pénétrées tardivement à l'intérieur des cristaux doit rester à l'esprit afin de ne pas attribuer au réseau cristallin les éléments chimiques détectés lors d'analyse globale des cristaux.L'étude des inclusions intracristallines peut donc apporter des renseignements quant aux conditions règnant dans les milieux pédologiques.     

7Be: 中国贵州Hongfeng湖流域表土季节性侵蚀的地球化学示踪剂

7Be penetrative depth in undisturbed surface soil is within 4mm.^7Be activity shows exponential decrease with soil depth,which is expressed as a diffusion process.7Be penetrative depth in undisturbed surface soil is apparently deeper in the fall (0.22-0.37g cm^-1) than in the spring (0.11-0.28g cm^-2) at the same site;Whereas,^7Be apparent activity at the top of surface soil is higher in the spring (0.3-2.2Bq g^-1)than in the fall (0.2-0.5Bqg^-1) at the same site,The 7Be inventory(189-544Bq m^-2)changes with both locations and seasons.Although the ^7Be flux to the earth‘s surface increases with amount of precipitation,its maximum inventory in the soil profiles decreases to 30%-40% after the rainy period.Calculated by the diffusion equation,the erosion and accumulation rates of soil particles are agreeable with the observation in situ,Which shows that the rates in fall are 1.5 times those in spring.The eroded soil particles almost all have been removed on the tablelands rathel than transported into the drainage system.This indicates that the soil erosion process in the karst region is only partial transportation within a short distance.     

N2O and NO fluxes between a Norway spruce forest soil and atmosphere as affected by prolonged summer drought

Global change scenarios predict an increasing frequency and duration of summer drought periods in Central Europe especially for higher elevation areas. Our current knowledge about the effects of soil drought on nitrogen trace gas fluxes from temperate forest soils is scarce. In this study, the effects of experimentally induced drought on soil N₂O and NO emissions were investigated in a mature Norway spruce forest in the Fichtelgebirge (northeastern Bavaria, Germany) in two consecutive years. Drought was induced by roof constructions over a period of 46 days. The experiment was run in three replicates and three non-manipulated plots served as controls. Additionally to the N₂O and NO flux measurements in weekly to monthly intervals, soil gas samples from six different soil depths were analysed in time series for N₂O concentration as well as isotope abundances to investigate N₂O dynamics within the soil. N₂O fluxes from soil to the atmosphere at the experimental plots decreased gradually during the drought period from 0.2 to −0.0 μmol m⁻² h⁻¹, respectively, and mean cumulative N₂O emissions from the manipulated plots were reduced by 43% during experimental drought compared to the controls in 2007. N₂O concentration as well as isotope abundance analysis along the soil profiles revealed that a major part of the soil acted as a net sink for N₂O, even during drought. This N₂O sink, together with diminished N₂O production in the organic layers, resulted in successively decreased N₂O fluxes during drought, and may even turn this forest soil into a net sink of atmospheric N₂O as observed in the first year of the experiment. Enhanced N₂O fluxes observed after rewetting up to 0.1 μmol m⁻² h⁻¹ were not able to compensate for the preceding drought effect. During the experiment in 2006, with soil matric potentials in 20 cm depth down to −630 hPa, cumulative NO emissions from the throughfall exclusion plots were reduced by 69% compared to the controls, whereas cumulative NO emissions from the experimental plots in 2007, with minimum soil matric potentials of −210 hPa, were 180% of those of the controls. Following wetting, the soil of the throughfall exclusion plots showed significantly larger NO fluxes compared to the controls (up to 9 μmol m⁻² h⁻¹ versus 2 μmol m⁻² h⁻¹). These fluxes were responsible for 44% of the total emission of NO throughout the whole course of the experiment. NO emissions from this forest soil usually exceeded N₂O emissions by one order of magnitude or more except during wintertime.     

Gaseous and leaching nitrogen losses from no-tillage and conventional tillage systems following surface application of cattle manure

Previous studies have demonstrated inconsistent results on the impact of tillage systems on nitrogen (N) losses from field-applied manure. This study assessed the impact of no-tillage (NT) and conventional tillage (CT) systems on gaseous N losses, N₂O:N₂O + N₂ ratios and NO₃⁻-N leaching following surface application of cattle manure. The study was undertaken during the 2003/2004 and 2004/2005 seasons at two field sites in Nova Scotia namely, Streets Ridge (SR) in Cumberland County and the Bio-environmental Engineering Centre (BEEC) in Truro. Results showed that the NT system had higher (p < 0.05) NH₃ losses than CT. Over the two seasons, manure incorporation in CT reduced NH₃ losses on average by 86% at SR and 78% at BEEC relative to NT. At both sites and during both seasons, denitrification rates and N₂O fluxes in NT were generally higher than in CT plots, presumably due to higher soil water and organic matter content in NT. Over the two seasons, mean denitrification rates at SR were 239 and 119 g N ha⁻¹ d⁻¹, while N₂O fluxes were 120 and 64 g N ha⁻¹ d⁻¹ under NT and CT, respectively. At BEEC mean denitrification rates were 114 and 71 g N ha⁻¹ d⁻¹, while N₂O fluxes were 52 and 27 g N ha⁻¹ d⁻¹ under NT and CT, respectively. Conversely, N₂O:N₂O + N₂ ratios were lower in NT than CT suggesting more complete reduction of N₂O to N₂ under NT. When averaged across all soil depths, NO₃⁻-N was higher (p < 0.05) in CT than NT. Nitrate-N decreased with depth at both sites regardless of tillage. In most cases, NO₃⁻-N was higher under CT than NT at all soil depths. Similarly, flow-weighted average NO₃⁻-N concentrations in drainage water were generally higher under CT. This may be partly attributed to higher denitrification rates under NT. Therefore, NT may be a viable strategy to remove NO₃⁻-N from the soil, and thus, reduce NO₃⁻-N contamination of groundwater. However, it should be noted that while the use of NT reduces NO₃⁻-N leaching it may come with unintended environmental tradeoffs, including increased NH₃ and N₂O emissions.     

Magnetic properties of the urban soils in Shanghai and their environmental implications

To study the feasibility of using magnetic techniques for monitoring soil pollution in Shanghai, magnetic properties and heavy metals in the topsoils in an urban site (Songnan Town) and a less-urbanized agricultural site (Luojing Town) in Baoshan District, Shanghai, were studied. Compared with the background, magnetic signals of the urban topsoils are extremely enhanced with magnetic susceptibility (χ_lf) from 127.3–1959 × 10^− 8 m³ kg^− 1; while those of the agricultural topsoils are only slightly increased. However, both the urban and agricultural topsoils contain few pedogenic SP grains, as indicated by their low χ_fd% (< 3.6%). Ratios of χ_arm/SIRM, χ_arm/χ_lf and SIRM/χ_lf indicate that the grain size of magnetic minerals in the urban topsoils is significantly coarser than that in the background and the agricultural topsoils. Furthermore, the urban topsoils show low coercivity and magnetic soft behaviors, as indicated by higher SOFT%, lower HARD%, higher IRM_300 mT/SIRM (close to 1) and lower IRM_− 200 mT/SIRM (close to − 1). It suggests that the urban topsoils have received some coarse ferrimagnetic particles. Heavy metals are highly enriched in the magnetic fractions of the topsoils. Geochemical properties of the magnetic fraction of the urban topsoils are significantly different from those of the agricultural topsoils, further indicating that the extra magnetic minerals accumulated in the urban topsoils are neither inherited from soil parent materials nor from pedogenic processes, but originate from anthropogenic activities. The significant correlations between heavy metals and χ_lf, χ_arm, SIRM, SOFT and HIRM of the topsoils in the district indicate that the magnetic techniques can be used for monitoring soil pollution in Shanghai. The soils with χ_lf from 39–50 × 10^− 8 m³ kg^− 1 in the district are tentatively defined as “slightly polluted soils”; those with χ_lf > 50 × 10^− 8 m³ kg^− 1 are defined as “polluted soils”.     

The abundance of heterocystous blue-green algae in rice soils and inocula used for application in rice fields

Summary Algal populations were quantified (as colony-forming units [CFU] per square centimetre) in 102 samples of rice soils from the Philippines, India, Malaysia and Portugal, and in 22 samples of soil-based inocula from four countries. Heterocystous blue-green algae (BGA) were present in all samples. Nostoc was the dominant genus in most samples, followed by Anabaena and Calothrix. In soils, heterocystous BGA occurred at densities ranging from 1.0 × 10² to 8.0 × 10⁶ CFU/cm² (median 6.4 × 10⁴) and comprised, on average, 9% of the total CFU of algae. Their abundance was positively correlated with the pH and the available P content of the soils. In soil-based inocula, heterocystous BGA occurred at densities ranging from 4.6 × 10⁴ to 2.8 × 10⁷ CFU/g dw (dry weight), comprising only a moderate fraction (average 13%) of the total algae. In most soils, the density of indigenous N₂-fixing BGA was usually higher than that attained by applying recommended rates of soil-based inoculum. Whereas research on the practical utilization of BGA has been mostly directed towards inoculation with foreign strains, our results suggest that attention should also be given to agricultural practices that enhance the growth of indigenous strains already adapted to local environmental conditions.Maître de Recherches ORSTOM (France), Visiting Scientist at IRRI