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.     

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.     

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.     

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.     

Improved method for comparing abundance data for soil zoological field studies

Soil bulk density varies among sites as well as microhabitats, and in different years at the same site. Bulk density is a highly variable parameter that introduces undefined but significant errors to abundance field data of soil microfauna when given in individuals per g soil dry mass (sdm). Such data are not comparable among sites, microhabitats and years and they are unsuitable for comparative ecological field studies. Soil corer sampling technique, defined as soil surface square units (e.g. 1 cm²), is recommended to overcome the methodological imprecision of estimating abundance of soil microfauna from field studies in ind·g sdm. This removes consideration of variable soil bulk density and enables us to establish abundance values directly in ind·cm⁻² without any recalculations. Resultant data are comparable both spatially and temporally. Abundance data as individuals per m² is a commonly used unit for soil meso-, macro- and megafauna.

Résumé

La densité apparente du sol est extrêmement variable aussi bien selon les sites que selon les microhabitats, ainsi que selon les différentes années sur un même site. La variabilité de ce paramètre induit des erreurs mal définies, mais significatives, dans l'estimation des abondances de la microfaune du sol lorsque celles-ci sont produites en termes de nombre d'individus par gramme de sol sec. De telles données ne sont pas comparables entre sites, microhabitats, ou années, et ne sont donc pas utilisables pour des études d'écologie comparative. La méthode d'échantillonnage par carottage du sol sur une surface connue (par exemple 1 cm²) est recommandée afin de maîtriser l'imprécision liée aux estimations par poids de sol sec. Cela permet de s'affranchir du paramètre de densité apparente du sol et permet de donner directement des valeurs d'abondance en nombre d'individus par cm² sans aucun calcul. Les données ainsi exprimées sont comparables, à la fois spatialement et temporellement. Le nombre d'individus par m² est une unité communément utilisée pour la méso-, macro- et mégafaune.     

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.     

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.     

Influence de la roche-mère et du climat sur les propriétés andiques des sols en région montagnarde tempérée (Vosges, France)

La diversité des conditions d’environnement (roche-mère, climat, végétation) prévalant dans un massif de moyenne montagne (Vosges, France) nous a permis d’établir leur rôle dans la manifestation à des degrés divers des propriétés andiques dans le sol. Nous avons examiné un lot de 13 profils sélectionnés à partir de critères lithologiques, climatiques et morphologiques présumés favorables à l’expression de ces propriétés andiques: roches-mères basiques d’origine volcanique ou non, climat montagnard très humide, abondance de matière organique sur une grande profondeur. Ces profils se subdivisent en deux populations. Quatre d’entre eux peuvent être classés comme des Andisols (Alic Fulvudands) alors que les autres ont des propriétés andiques trop faiblement exprimées pour appartenir à cet ordre et doivent être classés comme des Andic Haplumbrepts. Tous ces sols sont dépourvus d’allophanes. Dans cet environnement de moyenne montagne, les facteurs favorables à la manifestation de propriétés andiques sont d’une part, les altitudes et les expositions qui induisent de faibles températures et de fortes précipitations et d’autre part, l’altérabilité des roches-mères déterminée par leur composition chimique et minéralogique. Comme les vieux matériaux volcaniques sur lesquels se développent la plupart des sols étudiés sont pauvres en verres, voire complètement dévitrifiés, les Andisols vosgiens présentent beaucoup d’analogies avec les Andisols non-allophaniques non-volcaniques identifiés dans d’autres environnements. Leurs propriétés andiques sont faiblement exprimées et elles sont dues à la présence de complexes organo-métalliques associée à des teneurs élevées en carbone organique. The diverse environmental conditions (parent material, climate, vegetation) in the Vosges Mountains (France) allow us to investigate their role in the development of soils with varying degrees of andic properties. We studied 13 profiles selected on the basis of lithological, ecological and morphological criteria assumed to favour the formation of andic properties, i.e. basic parent materials of volcanic and other origins, wet montane climates and accumulation of thick layers of organic matter. The profiles belong to two classes: four are Andisols, more precisely Alic Fulvudands, and the others are Andic Haplumbrepts with only weakly expressed andic properties. In this montane environment the factors favouring the andic properties seem to be on the one hand height and exposure inducing cold and humid microclimates, and on the other the chemical and mineralogical composition controlling the weatherability of the soil’s parent materials. For example, the old volcanic rocks on which most of the soils occur are poor in glassy material or are even completely devitrified. Accordingly, Andisols in the Vosges are like those of non-volcanic, non-allophanic Andisols elsewhere in the world: their andic properties are weakly expressed and are caused by organo-metallic complexes associated with their upper organic-rich horizons rather than by allophanes.     

Decomposition kinetics and organic geochemistry of woody debris in a ferralsol in a humid tropical climate

Large inputs of woody debris to soil can improve the soil. We examined the fate of woody debris buried in soil after fire‐free forest conversion to cropland in French Guiana. We measured the mass loss of woody debris > 4 mm on five sampling dates for 4 years after deforestation. Composition of the organic matter of woody debris was analysed with Rock‐Eval pyrolysis, which enabled us to distinguish a labile carbon pool (C_lab) and a resistant carbon pool (C_res). Decomposition of woody debris followed a first‐order function with a half‐life of 17.6 months. During the decomposition of woody debris > 4 mm, the C:N ratio, hydrogen index (HI) and pyrolysed carbon below 400°C (R400) decreased, suggesting that decarboxylation and dehydrogenation of woody debris occurred. Both C_lab and C_res stocks decreased with time, but the decrease in C_lab was faster. There was little humification of the debris and no long‐term biogeochemical preservation of a woody debris fraction, which accords with the first‐order decay observed. We conclude that the benefits of ligno‐cellulosic inputs for soil organic carbon contents in a tropical humid climate occur during the first year following deforestation. Résumé Les apports massifs de débris de bois au sol peuvent améliorer le sol. Nous avons examiné sur un site en Guyane le devenir de débris de bois enfouis dans le sol, suite à la conversion sans brûlis de forêt en cultures. Nous avons mesuré le stock des débris de bois > 4 mm jusqu'à 4 années après déforestation. Les transformations de la matière organique des débris ont bois ont été analysées par la pyrolyse Rock‐Eval, nous permettant de distinguer un compartiment de carbone labile (C_lab) et un compartiment de carbone résistant (C_res) dans ces débris. La décomposition des débris de bois suit une décroissance exponentielle de premier ordre, avec une demi‐vie de 17,6 mois. Durant la décomposition des débris, le rapport C/N, l'indice d'hydrogène (HI) et le carbone pyrolysé avant 400°C (R400) diminuent, suggérant des processus de décarboxylation et déshydrogénation qui se mettent en place rapidement après l'enfouissement des débris. Les stocks de C_lab et C_res diminuent tous deux au cours du temps, avec une cinétique plus rapide pour C_lab. Ces résultats indiquent une faible polymérisation de la matière organique des débris, et une absence de préservation biogéochimique d'une partie des débris, en accord avec la décroissance exponentielle observée. Cette étude suggère que les bénéfices des amendements ligno‐cellulosiques pour la matière organique des sols sont de courte durée en milieu tropical humide.     

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.     

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.     

Water and nitrate budgets in a rendzina cropped with oilseed rape receiving varying amounts of fertilizer

Pollution of the environment by nitrogen (N) has emerged as a serious concern in agriculture, especially in the case of crops such as oilseed rape. To assess the effect of N fertilization on N dynamics, the movements of water and nitrate were determined in a rendzina near Châlons-en-Champagne (eastern France) cropped with oilseed rape with three levels of fertilizer N and in a bare control. From in situ micrometeorological measurements, actual evapotranspiration rates were computed with an energy budget and used to calibrate an evapotranspiration model based on meteorological data and crop leaf area index. Water flow below 120 cm was then deduced from periodic measurements of soil moisture contents and precipitation, and the associated nitrate leaching fluxes were calculated from the NO₃ concentration measured at the same depth. Denitrification rates and ammonia volatilization were monitored in the field after fertilizer applications, and crop assimilation of nitrogen was determined frequently during the growth cycle. A nitrate budget gave an approximation of the in situ net mineralization fluxes. The water balance was influenced by the crop and its fertilization: the crop's canopy and roots enhanced the water loss by evapotranspiration and contributed to diminish the soil water storage, whereas drainage volumes were about the same for all cropped treatments, and significantly greater in the bare soil. The rainy winter was particularly favourable to leaching, and losses were much greater (+ 41%) under the over-fertilized crop than under the non-fertilized one, but remained less (– 42%) than those under the bare control soil. Bilans hydriques et azotés d'une culture de colza sur rendzine avec différentes doses d'engrais Les pollutions de l'environnement par l'azote sont devenues une préoccupation majeure en agriculture, particulièrement dans le cas des cultures comme le colza. Pour évaluer les effets de la fertilisation azotée sur la dynamique de l'azote, les transferts d'eau et de nitrate d'une rendzine ont été mesurés près de Châlons-en-Champagne (Est de la France) sur des parcelles expérimentales de colza avec trois niveaux de fertilisation azotée et sur une parcelle témoin en sol nu. A partir de mesures micrométéorologiques in situ, l'évapotranspiration réelle a été calculée par bilan énergétique de la surface du sol, et un modèle d'évapotranspiration ayant pour entrées des données météorologiques classiques et l'indice foliaire de la culture a été calibré. Le flux net d'eau sous 120 cm a été alors déduit de mesures périodiques de teneur en eau du sol et de précipitations, et les flux de nitrate associés ont été calculés à partir des concentration mesurées à la même profondeur. Les flux de dénitrification et la volatilisation d'ammoniac ont été mesurés au champ après les apports d'engrais; l'absorption d'azote par la culture a été déterminée fréquemment pendant le cycle de croissance. Enfin, un bilan azoté a donné l'ordre de grandeur de la minéralisation nette. Le bilan hydrique a été influencé par la culture et sa fertilisation: le couvert végétal et les racines ont accentué les pertes d'eau par évapotranspiration et par conséquent le stock d'eau, tandis que la lame d'eau drainée était à peu près la même pour tous les traitements cultivés, et significativement plus élevée pour le sol nu. L'hiver particulièrement pluvieux a été très favorable au lessivage, et les pertes ont été beaucoup plus fortes (+ 41%) sous la culture sur-fertilisée que sur la culture non-fertilisée, mais elles sont restées inférieures (– 42%) à celles sous sol nu. Nomenclature     

Endemic freshwater invertebrates from southern France: Diversity, distribution and conservation implications

Freshwaters ecosystems continue to face pressures from pollution, flow regime alterations, habitat destruction and exotic species invasions despite their unique biodiversity. In Europe, National Parks and Special Areas of Conservation aim to provide protection of ‘aggregate’ biodiversity, yet inspection of priority species lists for these sites often reveals a focus towards terrestrial species. In regions such as the Alps and the Pyrénées, this is a particularly serious problem because climate change and other anthropogenic pressures (e.g. hydropower, tourism) are causing widespread hydrological modification which is likely to drive changes in aquatic species abundance, diversity and distribution. Improved understanding of the diversity of rare plants and animals is necessary so efforts can be cost-effectively targeted to conserve the maximum number of species, whilst a clearer picture of these species’ distributions is a precursor to targeting conservation efforts. This paper reports results of a study into the diversity and distribution of 17 endemic mayflies, stoneflies and caddisflies from 598 rivers sites across southern France. Endemic macroinvertebrates were found only at sites in the Pyrénées mountain range with richness peaking at 1500–1800 m above sea level. Nine of these 17 species were recorded from <20 sites and two (Protonemura angelieri, Rhithrogena kimminsi) were found at only 10 sites. Despite both the rarity of these species and threats to their existence, none of them have any current conservation status. New conservation policies for freshwater ecosystems in the French Pyrénées need to be developed as a priority due to the rarity of many aquatic species in this area, growing threats to their existence (habitat modification, hydrological change), and to recognise their importance in food webs that may include other rare species of conservation value.     

Gas diffusion in a silty-clay soil: experimental study on an undisturbed soil core and simulation in its three-dimensional reconstruction

Transport of gas in soil depends on the paths available through the porous system. We determined the rate of diffusion of air through a core of silty-clay soil experimentally. After the experiment, the core was impregnated with resin and sectioned at 100 μm. From the images of the sections, the porous structure was reconstructed in three dimensions with a 100-μm resolution and gas diffusion was simulated in it. We computed the self-diffusion to describe gas diffusion. The experiment and simulation were compared using tortuosity, which is the ratio between the self-diffusion coefficient calculated in air and the coefficient calculated in the reconstructed sample. The results showed that the experimentally measured tortuosity (2.3) and the numerically calculated tortuosity (1.75) were similar. This suggests that the self-diffusion propagator is useful for simulating self-diffusion in a numerical three-dimensional reconstructed sample and that the scale chosen for the reconstruction of the sample (100 μm) was suitable for this particular soil. Résumé Les propriétés de transfert en phase gazeuse des sols ont étéétudiées sur un sol limono-argileux. A l’issue de l’expérience, l’échantillon a été imprégné avec une résine polyester puis sectionné en coupes sériées. A l’aide des images numérisées des coupes, l’échantillon a été reconstruit en trois dimensions. Nous avons ensuite simulé le processus de diffusion gazeuse dans l’échantillon reconstruit à l’aide du propagateur de diffusion. Expérience et simulation ont été comparées à l’aide de la tortuosité, rapport entre le coefficient de diffusion gazeuse dans l’air et celui dans le sol. Les résultats montrent que la tortuosité mesurée expérimentalement (2,3) et la tortuosité calculée numériquement (1,75) sont proches. Ceci prouve que l’utilisation du propagateur de diffusion est justifiée pour la simulation du processus de self-diffusion dans un échantillon tridimensionnel reconstruit et que l’échelle choisie pour la reconstruction (100 μm) s’avère pertinente pour l’étude de la diffusion gazeuse dans ce sol.     

Some aspects of avocado (<Emphasis Type="Italic">Persea americana</Emphasis> Mill.) diversity and domestication in Mesoamerica

Avocado (Persea americana Mill.) is a major tropical fruit, with origin in Mesoamerica area. Avocado is a very variable species and taxonomically poorly understood. It has been grown in the Neotropics since ancient times and it seems that the domestication of this tree in Mesoamerica started before other annual crops. In addition, it seems that much of avocado diversity as ecological differences, were originated as a result of cultural diversity. In view of this, avocado represents an interesting model to study domestication of tropical trees and develop forest management and germplasm conservation strategies. At present time, P. americana is worldwide distributed with Mexico as the main producer. However, there are some aspects on the origin, dispersion, and domestication of the species that remain to be answered. In this paper, we present a survey of these issues from the earliest to present time in Mesoamerica.

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Resumen El aguacate (Persea americana Mill.) es una importante fruta tropical, originaria del área de Mesoamérica. El aguacate es una especie altamente variable y su taxonomía aún no ha sido totalmente definida. El aguacate se ha desarrollado en el Neotrópico desde tiempos antiguos y es posible que su domesticación en Mesoamérica se iniciara antes que otras plantas anuales. También es probable que en gran medida su diversidad se originara además de las diferencias ecológicas, también como resultado de la diversidad cultural. Debido a esto, el aguacate representa un modelo interesante para estudiar procesos de domesticación en árboles tropicales y desarrollar estrategias de manejo en bosques y conservación del germoplasma. Actualmente, P. americana está distribuida en todo el mundo y México es el principal productor. Sin embargo, algunos aspectos del origen, dispersión y domesticación de la especie no han sido clarificados. En este artículo presentamos una investigación sobre estos aspectos, desde tiempos antiguos hasta el presente en el área de Mesoamérica.

     

Microbial biomass and activity in pine litter in the presence of Tomocerus minor (Insecta,Collembola)

Summary Laboratory microcosms were used to study microbial populations and biomasses developing in fragmented litter of Pinus nigra Arnold var. nigra (A. et G.). Direct observations (fungal standing crop and fluorescein-stainable mycelia), litter enzyme analyses (cellulase and dehydrogenase), and measurements by physiological methods (microbial CO₂ production and total microbial, fungal, and bacterial viable biomasses) were made at 3-week intervals for 15 weeks. Most variables showed great changes during this period, which were ascribed to a rise in litter moisture content during the initial phase of the experiment, and to substrate depletion towards its final phase. The addition of the collembolan Tomocerus minor (Lubbock) for 1 week enhanced cellulase activities by 4%. When the animals were introduced after 6 weeks, the fungal standing crop was enhanced, and the percentage of fluorescein-stainable mycelia was reduced. Dehydrogenase activity was increased by grazing when the microbial population had been established for 9 weeks or longer. Eucaryotic and procaryotic substrate-induced respiration were positively correlated, which was explained by partial segregation of resources for the two groups. Litter cellulase and dehydrogenase activity showed correlations by other techniques, indicating their suitability as parameters for microbial activity in general, and for the collembolan grazing impact on microbial activity in particular.     

Does leaf litter quality influence population parameters of the common woodlouse, Porcellio scaber (Crustacea: Isopoda)?

Population parameters (mortality of females, reproductive success, longevity of juveniles) of the common woodlouse, Porcellio scaber (Isopoda, Oniscidea), were examined with respect to the influence of varying leaf litter attributes: pH level, microbial cellulase activity, microbial dehydrogenase activity, protein content, nitrogen content, water content, tannin content, total phenol content and toughness of the leaves. These attributes were combined by using Principal Component Analysis. We obtained three Principal Components (PC) that were defined as “acidification,”“microorganisms” and “tree species.” The PCs explained 85% of the variance of leaf litter attributes. The PC “acidification” mainly influenced the mortality of females (P<0.001), while the longevity of juveniles showed significant correlation to the PC “microorganisms” (P<0.05). The PC “tree species” showed no influence on the observed population parameters, indicating that the leaf litter species itself had no direct influence on the population parameters of P. scaber. The reproductive success of females could not be explained by either of the PCs, but was influenced by cellulolytically active microorganisms (P<0.01). From these results, we conclude that acidification and reduced microbial activity in the field will cause a decrease in population density of P. scaber. Received: 30 July 1996     

Size and phenotypic structure of microbial communities within soil profiles in relation to different playing areas on a UK golf course

Amenity turf accounts for up to 4% of land‐use in urban areas, providing key refuges for both above‐ and below‐ground biodiversity. Golf courses occupy the largest surface area of all sports facilities; however, only a limited amount of microbial ecology has been carried out to investigate differences in the size and structure of microbial communities of the soil. The soil microbial community is a key agent in nutrient cycling and delivery of other ecosystem goods and services; however, there has been little work focused on amenity turf ecosystems in the UK. A study of soil microbial community size and structure, on the range of playing areas maintained for the game of golf at a single golf course in relation to depth through the soil profile, was carried out. Soil from different playing areas showed significant differences in the size (measured using chloroform fumigation extraction) of the microbial community (P < 0.01), with a greater concentration of microbial biomass at 0–75 mm from the surface, compared with deeper zones (P < 0.01). Principal component analysis of phospholipid fatty acid (PLFA) biomarkers indicated that the community structure was significantly different at 0–75 mm from the surface on all areas of the golf course investigated (P < 0.05, in all cases). The PLFA biomarkers consistently associated with such discrimination were 16:0 and 18:1ω9 c. These findings suggest that there is a consistently larger and similarly structured microbial community associated with the surface thatch layer, commonly found in amenity turf.