Bodems Soils Cursus Terrestrische Systemen

Bodems
Soils
Elisabeth Addink
Steven de Jong
Cursus Terrestrische Systemen
• Local, regional, global landscape patterns and
the importance of site factors like: climate,
lithology, vegetation, soil and their interactions
• Recognize landscapes (genesis) & important
landscape forming processes
• Lectures / computer exercises remote sensing
• Exercises in observation and interpretation of
patterns in various climatic zones
Cursus Terrestrische Systemen
Stone Forest, Lunan Yu, China
Karst Landscape of Lunan Yu
1. Availability of acid conditions, e.g.:
H 2O + CO2 ↔ H 2CO3 ↔ H + + HCO3−
2a. Weathering/solution of
calcite / limestone:
CaCO3 + H 2O + CO2 ↔ Ca 2 + + 2HCO3−
2b. Weathering/solution of
dolomite:
(CaMg (CO3 ) 2 ) + H 2O ↔ Ca 2 + + Mg 2 + + 2CO3−
3. Surface features are dolines, poljes, uvala, sinkholes
Preferential flow in soil & rock results in caves & underground rivers
Cursus Terrestrische Systemen
Kandersteg, CH
What processes did create this landscape?
ice, water, mass movements, avalanches
Kandersteg tal, Swiss Alps
U-shaped glacier valley, outwash terraces, hanging valleys,
cone-shaped alluvial fans & avalanche deposits
Cursus Terrestrische Systemen
Chapada Diamantina, Brazil
Chapada Diamantina, NW Brazil
• Sandstone plateau, 1.5 billion yrs
Combination of:
• Tectonic uplift & resulting faulting
• Physical & bit chemical weathering
• Rainfall & transport by runoff
• Bit of rock fall
What processes did create this landscape?
Savournon, France
Alpes du Sud: St. Genis
• Soft & hard sediments
(marls & limestone)
• Moderate tectonics: uplift & faulting
• Peri-glacial: no glaciers here, glacis,
solifluction, gelifluction
• Water: erosion, incision
• River terraces
• Human factor
Bodems (soils)
Fundamental questions:
Wat is een bodem (soil)?
Waarom is een bodem belangrijk?
Wat zijn belangrijke bouwstenen?
Wat zijn bodem aggregaten?
Wat voor bodems vinden we waar? Lokaal, mondiaal
Wat gebeurt er als water op ‘n bodem valt?
Wat voor bodems verwachten we waar?
Wat is een bodem?
Wat is een bodem?
1.
De bodem is het bovenste, losse deel van de
aardkorst tot op een diepte die van belang is voor
planten en waarin zich de plantenwortels bevinden
2.
De bodem is het gedeelte van de aardkorst waarin
de lithosfeer veranderd is (i.e. de pedosfeer) door
atmosferische invloeden en door organismen en
waarin deze veranderingen nog steeds plaats
vinden.
Waarom is een bodem belangrijk?
Waarom is een bodem belangrijk?
•Support leven van planten en gewassen (voedsel)
•Reservoir van water
•Reservoir van nutrienten
•Grote recycle fabriek
Soil is alive… for example, in 1g of soil:
> 100,000,000 bacterial cells
> 11,000 species of bacteria
Also fungi and larger animals
Vole
Earthworm
Æ Ontbinding & bodem mixing (beluchting)
Fungi
Termite
Nematodes
Mites
Roots, root hairs & bacteria at work
Wat zijn de primaire bouwstenen?
Wat zijn de primaire bouwstenen?
• Mineraal (~ 50% of volume)
Zand 0.063 – 2 mm
Silt 0.002 – 0.063 mm
Lutum/Klei < 0.002 mm
63-2000 μm
2-63 μm
< 2 μm
• Organisch materiaal (~< 5%):
Example of weathering van veldspaat naar klei-mineraal en rest producten:
2 KAlSi3O8 + 9 H2O + 2 H2CO3 --> Al2Si2(OH)4 + 4 H4SiO4 + 2 K+ + 2 HCO3K-feldspar
kaolinite
free ions & acids
Size of soil particles
minerals components (about 50% of a volume)
• course sand (2000 μm - 200 μm)
• fine sand (200 μm - 50 μm)
• silt (50 μm - 2 μm)
• clay ( < 2 μ m)
• organic matter (<5%)
silt
Sand
clay
Klei mineralen
Electronen miscroscoop
Schematisch
Wat zijn bodem aggregaten?
Wat zijn bodem aggregaten?
•
Samen klonteren van
primaire deeltjes door
vocht, o.m., klei, kalk etc
•
Vormende processen: nat
& droog, vries & dooi, flora
& fauna activiteit, bodem
bewerking, vergaan van
org materiaal etc.
Soil aggregates
Excellent soil structure
Bodem aggregaten
Schematisch
Bodemoppervlak
met goede structuur (L),
veld foto’s
verslempte structuur (R)
Wat gebeurt er als water op ‘n bodem valt?
Wat gebeurt er als water op ‘n bodem valt?
•
Water wordt snel/sterk
opgenomen door de bodem
tussen de aggregaten en
primaire deeltjes in de poriën
ruimte.
•
Sorptivity van de bodem
•
Bodem houdt water vast en
zuigspanning (planten) is
nodig om water te ontrekken
•
Bodem is water reservoir
Wat is een pF (water retention) curve van een bodem
Soil water retention characteristic (pF curve)
Air dry
PF=6.0 / >10000kPa
Wilting point
pF=4.2 / -1500 kPa
Field capacity
pF=2.0 / -10kPa
Saturation
pF=0 /<0.1 kPa
Is infiltratie/drainage het snelst in een verzadigde of
onverzadigde toestand van de bodem?
Darcy:
q = −k (θ )
Wat gebeurt er met infiltratie als de bodem verkorst is
δH
δs
Wat gebeurt er met infiltratie als de bodem verkorst is
z
1
h
H
Darcy:
2
q = −k (θ )
ha
Wat voor bodems vinden we waar? Lokaal, mondiaal
δH
δs
Wat voor bodem ontstaat hier & waarom?
Wat voor bodem ontstaat hier & waarom?
•
•
•
•
Eolische afzetting, arm materiaal
Jong, weinig nutrienten, weinig uitspoeling
Weinig profiel ontwikkeling
NL: vaag grond; FAO: lithosol/leptosol
Wat voor bodem ontstaat hier & waarom?
Wat voor bodem ontstaat hier & waarom?
•
•
•
•
Bos grond, vochtig, gematigde temperatuur
Bladval, mineralisatie, zuur milieu
Lange tijd, sterke profiel ontwikkeling
NL/FAO: Podzol profiel
Wat voor bodem ontstaat hier & waarom?
Wat voor bodem ontstaat hier & waarom?
Tropisch bos, warm & vochtig
Bladval, zuur milieu (pH <4, uitloging)
Homogene profiel ontwikkeling door uitspoeling
NL/FAO: Ferrasol, Oxisol
Bodem klassificatie:
• vanuit het landschap: geogenetisch
• vanuit het profiel: pedogenetisch
Landscape based (top – down approach):
• CSIRO (Au)
• Pédologie (F)
OBL
HULG
SZBL
BLSS
SZHG
HULG
OHG
EOR
COR
DYD
KLM
FMN
COR
HGT
High water level
Low water level
CHER
GLEY
CHER
SOLZ
SALINE
GLEY
GLEY
Profile-based (bottom - up hierarchy)
Horizonten
Kleur
Textuur
Structuur
Aggregaten
Organisch stof
Fauna activiteit
Litter laag
Gley
•
•
Wat voor bodems vinden we waar? Lokaal, mondiaal
Regional / local catena of soils
NL
USDA
Example of Catena
Gradient of soil color from oxidizing conditions at the summit (red/brown
subsurface colors) to reducing conditions at the toe-slope (grey subsurface
colors).
Regionaal patroon van bodems
Field situation
Alora, southern Spain
Ortho photo
Welke van deze twee bodems
wil je voor jouw tuintje?
Algemene kenmerken Bodem
• bodem ontwikkelt zich in de bovenste meter(s)
van de aardkorst in los/verweerd materiaal
– In situ verweerd
– Sedimentair
• Gelaagdheid (horizontale structuur, verticale
differentiatie: profiel ontwikkeling)
Profiel ontwikkeling van bodems
Podzol
Ferrasol
Beiden ver (tijd) ontwikkelde bodems toch zo verschillend
Weathering as a function of climate: temperature & moisture
physical
cold, dry
hot, wet
chemical
Physical weathering / chemical weathering:
Frost wedging
Exfoliation
Development of tropical reddish soils:
Solubility of soil components as function of pH
Development of humid, temperate soils:
Bodemvormende factoren
•
•
•
•
•
•
•
Klimaat
Lithologie
Relief
Hydrologie
Vegetatie
Fauna
TIJD
Describing a soil in the landscape: pedon
• Bodem is een continuum, en moet in 3D beschreven worden
• Beschrijving is kwalitatief (kleur, profiel, wortel activiteit, landschap) en
kwantitatief (korrelgrootte, organische stof %, cation uitwisseling, drainage)
• Een boorgat is niet groot genoeg, pedon eenheid > 1 m2
Boorgat versus pedon, “support”
Voorbeeld gemiddelde samenstelling bodem
•Verweerde mineralen (moedergesteente, eolish, fluviatiel,
gemetamorfoseerd)
•Bodemvocht zeer dynamisch, zuigspanning / pF
•Bodem lucht : hoger CO2 dan atmosfeer (0.03 vs 1.5%)
Bodemmateriaal
• Organisch
• Mineraal
– Zand 0.063 – 2 mm
– Silt 0.002 – 0.063 mm
– Lutum/Klei < 0.002 mm
63-2000 μm
2-63 μm
< 2 μm
Driehoeks diagram voor bodem textuur
Clay loam most productive for plants…
NL: niet-eolische afzettingen
NL: eolische afzettingen
Weinig verwering? Waarom?
Hoe verandert dat tijdens verwering?
Porositeit
• Porienvolume is het volume dat de
vloeibare en gasvormige fases innemen
in de bodem tov totaal volume
• Drie soorten porien:
– Micro (Ø < 30 μm)
– Meso (Ø 30-100 μm)
– Macro (Ø > 100 μm)
• Zichtbaar => holten
Voorbeeld: poriën in de bodem
gully side
profile:
• mouse hole
• cracks
• worms hole
• pebble layer
Water in de bodem
• Drie soorten krachten die water
vasthouden in bodem:
– Capillair < aantrekking watermoleculen
onderling (cohesie) en water-bodemdeeltjes
(adhesie)
– Osmotisch < concentratieverschillen
kationen dicht bij bodemdeeltjes
– Adhesie < aantrekkingskracht tussen water
en bodemdeeltjes op het grensvlak
Kleimineraal en bodemvocht
-+
+
Kleimineralen
gefotografeerd
met electronen
microscoop
Plaatjes of vlokken
die op elkaar
gestapeld zijn.
Water rond bodem aggregaten
From: University of Wisconsin
Benaming water in bodemprofiel
• Grondwaterzone: alle porien en holten met
water gevuld, water kan zich vrij bewegen
• Capillaire zone: opgestegen water uit
grondwaterzone, water is gebonden en kan
zich niet vrij bewegen
• Hangwaterzone: ook capillair gebonden,
achtergebleven deel van infiltrerend water
Bodems houden water vast
•Saturation: pF 0 vrije uitstroom van water, drainage
•Field capacity: pF 2.0 vast water, beschikbaar voor planten
•Wilting point: pF 4.2 vegetatie kan geen water onttrekken
Water retention curve, pF curve, vocht karakteristiek
Bodemhorizonten
Bodem profiel
beschrijving
Hoofdhorizonten
•
•
•
•
•
•
•
H
O
A
E
B
C
R
Hoofdhorizonten
• H: Organische horizont, accumulatie van
organische stof op mineraal opp. Langdurig
met water verzadigd.
• O
• A
• E
• B
• C
• R
Hoofdhorizonten
• H
• O: Organische horizont, accumulatie van
organische stof op minerale opp. Nooit met
water verzadigd
• A
• E
• B
• C
• R
Hoofdhorizonten
• H
• O
• A: Minerale horizont aan opp met
– Organische stof, goed met minerale bestanddelen gemengd
– Herkenbare bodemvorming zonder
kenmerken E/B
•
•
•
•
E
B
C
R
Hoofdhorizonten
•
•
•
•
H
O
A
E: minerale horizont met
uitspoelingskenmerken (kleimineralen, ijzer,
aluminium). Lichter van kleur dan AOH
horizonten. Lichter dan B of grovere textuur.
• B
• C
• R
Hoofdhorizonten
•
•
•
•
•
H
O
A
E
B: minerale horizont zonder
gesteentekenmerken met:
– Inspoelingskenmerken (klei, ijzer,
aluminium), of
– Sesquioxiden (Fe/Al verbinding met
OH-) vrijgekomen, of
– Verwering uitgangsmateriaal
• C
• R
Hoofdhorizonten
•
•
•
•
•
•
H
O
A
E
B
C: minerale horizont waaruit het solum is
gevormd
• R
Hoofdhorizonten
•
•
•
•
•
•
•
H
O
A
E
B
C
R: aaneengesloten laag van vast
gesteente
Bodem ontwikkeling
Processen in pedon:
addition, loss, translocation, transformation
Chemische verwering
• Afhankelijk van
– Water
– Temperatuur
– pH
– Beluchting
• Bij verwering ijzerhoudende mineralen
wordt ijzer afgezet op bodemdeeltjes,
verbruining
Water
• Mineralen lossen op
– Welke en hoeveel hangt af van pH en chemische
evenwichten
– Transport opgeloste stoffen: uitspoeling
– Bij verandering pH, of stagnatie bodemwater
worden opgeloste stoffen weer afgezet: inspoeling
• Sterke uitspoelings- en inspoelingskenmerken:
podzolisatie
Water
• Transport kleine deeltjes
– Mechanisch transport: lessivage
• Uitspoeling en inspoeling
– Alleen bij zwak zure tot neutrale omgeving
Lessivage
Organisch materiaal
•
•
Vegetatie scheidt zuren uit in bodem
– Versterkt uitspoeling
Afgestorven vegetatie levert organisch materiaal,
mineralisatie in 3 stappen
1. Hydrolyse en oxidatie
2. Fragmentatie
3. Microbiologische omzetting
--
Chemical weathering:
+
+
Solution:
decomposing of minerals by water e.g. of quartz:
SiO2 + 2 H 2O ↔ Si (OH ) 4
Hydrolysis:
replacement of K+, Na+, Ca2+, Mg2+ within minerals by
H+ of e.g.:
albite + water into kaolinite, silica and dissolved Na+
and hydroxyl
4 NaAlSi 3O8 + 6 H 2O ↔ Al 4 Si4O10 (OH ) 8 + 8SiO2 + 4 Na + + 4OH −
Hydration:
Absorption of water into the crystal structure:
2 Fe2O3 + 3H 2O ↔ 2 Fe2O3 ⋅ 3H 2O
Terug bij deze figuur: waar vormen welke bodems …..
physical
cold, dry
hot, wet
chemical
cold, dry
Podzols
Luvisols/Cambisols
hot, wet
cold, dry
Cryosols
Podzols
Luvisols/Cambisols
hot, wet
cold, dry
Crysols
Podzols
Luvisols/Cambisols
Chernozems
hot, wet
cold, dry
Crysols
Podzols
Luvisols/Cambisols
Chernozems
Xerosols (salts)
hot, wet
cold, dry
Crysols
Podzols
Luvisols/Cambisols
Chernozems
Vertisols
Xerosols
hot, wet
cold, dry
Crysols
Podzols
Luvisols/Cambisols
Chernozems
Ferralsols
hot, wet
Vertisols
Xerosols
Periglaciaal
Cryosols
© ISRIC, www.isric.nl
Boreaal
Podzol
Temperate Midlatitudes
Luvisols en Cambisols
Chernozems (Ukraine, near Odessa)
Dry Midlatitudes
Chernozems
Mediterraan
Chromic Luvisol
Tropen met zomerregen
Vertisol
University of Idaho
Vertisol en mengen van bodemlagen
Tropen zonder droge periode
Ferralsol
Bodem:
•Complex, belangrijk systeem voor leven op aarde
•Tijd, klimaat, lithologie, relief, flora, fauna, hydrologie
Bodem typen ontwikkelen als functie van verwering
•Diverse bodem klassificatie systemen bestaan,
•Begrijpen van processen belangrijk
•Vervolg: bodem vegetatie klimaat zones …..
Thanks for your attention