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Jun 05, 2023

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 12337 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Ferralsole entsprechen den in den Tropen verbreiteten roten und gelben Böden. Sie sind stark verwittert, aber die physische Fruchtbarkeit ist hoch, da sie eine starke mikrogranulare Struktur aufweisen, über deren Herkunft noch immer heftig diskutiert wird. In der vorliegenden Studie haben wir nach Beweisen für den biologischen Ursprung der Struktur gesucht, der auf die Aktivität der Bodenfauna zurückzuführen ist. Wir präsentieren Ergebnisse, die mit brasilianischen Ferralsolen aufgezeichnet wurden, die unter einheimischer Vegetation entwickelt wurden. Es wurde festgestellt, dass die untersuchten Ferralsole morphologische Merkmale aufweisen, die mit der Aktivität sozialer Insekten zusammenhängen. Wir haben das Vorhandensein von Kalium 2:1-Tonen nachgewiesen, die aus dem Saprolit in den Mikroaggregaten aller untersuchten Ferralsole stammen. Diese 2:1-Tone wurden früher als Marker für die langfristige Termitenaktivität diskutiert. Dies verdeutlicht die Bedrohung, die sich auf die physische Fruchtbarkeit dieser Böden und im weiteren Sinne auf den Wasserkreislauf in den betroffenen tropischen Regionen auswirkt, wenn intensive Landwirtschaft die Artenvielfalt der Bodenfauna verringert, wie mehrere Studien belegen.

Die meisten gelben oder roten Böden in den südamerikanischen, afrikanischen und asiatischen Tropen sind Ferralsole. Sie bedecken weltweit 750 Millionen Hektar1, was etwa 5 % der gesamten Landoberfläche und 14 % der Landoberfläche in den Tropen entspricht. Sie resultieren aus einer langen Abfolge tiefer Verwitterung unter Bedingungen, die in den meisten Fällen mehrere Millionen Jahre lang vorherrschten1,2,3,4,5. In diesen Böden sind leicht verwitterbare Primärmineralien wie Gläser und ferromagnesische Mineralien sowie die widerstandsfähigeren Feldspat- und Glimmermineralien vollständig verschwunden6. Folglich besteht ihr Feinanteil im Wesentlichen aus Ton mit geringer Aktivität (hauptsächlich Kaolinit) sowie aus Eisen- und Aluminiumsesquioxiden7,8,9. Infolgedessen zeichnen sich Ferralsole durch eine extrem geringe natürliche chemische Fruchtbarkeit aus, die auf sehr geringe Nährstoffreserven, einen niedrigen pH-Wert, eine hohe Phosphorretention durch Oxidmineralien und eine niedrige pH-abhängige Kationenaustauschkapazität zurückzuführen ist6,10. Andererseits zeichnen sich die meisten Ferralsole durch eine gut entwickelte mikrogranulare Struktur2,11,12,13,14,15,16,17 und eine schlechte Horizontierung mit sehr diffusen Grenzen zwischen den Horizonten1 aus. Daher weisen die meisten Ferralsole eine hohe physikalische Fruchtbarkeit auf, die auf eine hohe Porosität, eine hohe Infiltrationsrate, eine hohe Wasserretention und einen geringen Widerstand gegen das Eindringen von Wurzeln zurückzuführen ist6.

Die Rolle bodensozialer Insekten, insbesondere Termiten, bei der Bildung ihrer mikrogranularen Struktur, die für den Großteil ihrer physischen Fruchtbarkeit verantwortlich ist, bleibt umstritten2,11,19,20,21,22,23. Dies ist ein großes Problem, denn wenn die langfristige Aktivität bodensozialer Insekten für die physische Fruchtbarkeit von Ferralsolen verantwortlich ist23,24,25,26,27, die Entwicklung der Landwirtschaft nach der Rodung einheimischer Vegetation und ihre Folgen für die Biodiversität des Bodens28,29, 30,31,32,33,34 kann zum Verschwinden der bodensozialen Insekten führen, die für die Mikrostruktur und deren Regeneration verantwortlich sind.

In Südamerika sind Ferralsole weit verbreitet, die meisten befinden sich im brasilianischen Cerrado, einem Savannenbiom, das oft als Landreserve für die Expansion der Agrarindustrie angesehen wird33,35. Der Druck auf das Land ist besonders hoch, da bis 2019 bereits 92 Millionen Hektar der einheimischen Cerrado-Vegetation gerodet wurden, um Platz für intensive Landwirtschaft zu machen36. In diesem Zusammenhang war die mikrogranulare Struktur der Ferralsole des Cerrado-Bioms, die 280 Millionen Hektar ausmachen, Gegenstand zahlreicher Studien2,16,17,18,19,23,37, aber nur wenige befassen sich mit den Auswirkungen der Rodung der einheimischen Cerrado-Vegetation und die Entwicklung einer intensiven Landwirtschaft auf der Grundlage der Bodenbiodiversität24,38. Da sowohl die mikrogranulare Struktur als auch die Gemeinschaften von Bodeninsekten in Ferralsolen unter einheimischer Cerrado-Vegetation besonders gut entwickelt sind, eignen sich Ferralsole äußerst gut für die Untersuchung der Prozesse, die für die Entwicklung der mikrogranularen Struktur und anschließend für ihre natürliche physische Fruchtbarkeit verantwortlich sind.

Es wurden Fragen zur möglichen Verschlechterung der Artenvielfalt in diesen Böden infolge der Entwicklung der intensiven Landwirtschaft in dieser brasilianischen Region30,31,32,33 und zur Nachhaltigkeit der intensiven Landwirtschaft auf diesen Böden28,29,30,31,32,33 aufgeworfen Folgen für Ökosystemdienstleistungen39 und Klimaveränderungen auf lokaler und regionaler Ebene35,40,41,42.

Der Beitrag der langfristigen Aktivität der bodensozialen Insekten zur Bildung der mikrogranularen Struktur der Ferralsole unter einheimischer Vegetation ist ein aktuelles Diskussionsthema11,21. Wenn tatsächlich festgestellt wird, dass es sich dabei um den Hauptprozess der Bildung dieser mikrogranularen Struktur handelt, ist es dringend erforderlich, die Folgen der Entwicklung der intensiven Landwirtschaft auf die Bodenmakrofauna und ihre Auswirkungen auf die Eigenschaften der Untergrundstruktur zu untersuchen Ferralsole und auf die physikalische Fruchtbarkeit des Bodens im Allgemeinen.

In dieser Studie haben wir nach Beweisen für den biologischen Ursprung der mikrogranularen Struktur von Ferralsolen gesucht, der mit der Langzeitaktivität sozialer Insekten zusammenhängt. Um dies zu erreichen, suchten wir nach dem Vorhandensein biologischer Strukturen, die mit Termiten- oder Ameisenaktivität in Zusammenhang stehen, und nach dem Vorhandensein von Kalium 2:1-Tonen in den mikrogranularen Aggregaten der ferralischen B-Horizonte von Ferralsolen1, die unter einheimischer Waldvegetation im brasilianischen Cerrado-Biom ausgewählt wurden entwickelt auf einer breiten Palette von Ausgangsmaterialien. Diese 2:1-Tone wurden kürzlich tatsächlich als Marker für Termitenaktivität in Ferralsolen diskutiert21.

Die Beobachtung der Struktur bei geringer Vergrößerung zeigte das Vorhandensein von zwei Arten mikrogranularer Strukturen: Bereiche mit einer starken mikrogranularen Struktur mit stark bis mäßig getrennten subangularen Mikroaggregaten und Bereiche mit einer mäßigen bis schwachen mikrogranularen Struktur mit zusammengewachsenen subrunden Mikroaggregaten (Abb. 1). Diese beiden Arten von Strukturen waren in allen untersuchten ferralischen B-Horizonten vorhanden, waren jedoch in BF1 (Abb. 1b), BF3 (Abb. 1d), BF7 (Abb. 1g), BF9 (Abb. 1i) und BF10 besonders gut zu erkennen (Abb. 1j). Ihr Vorkommen in ferralischen B-Horizonten wurde sehr früh in afrikanischen Ferralsolen43 und kürzlich in brasilianischen Ferralsolen23 als Zusammenhang mit der Bioturbationsaktivität von Termiten diskutiert.

Rückgestreute Elektronenrasterbilder (BESI) bei geringer Vergrößerung von polierten Abschnitten von BF1 (a), BF2 (b), BF3 (c), BF4 (d), BF5 (e), BF6 (f), BF7 (g), BF8 (h), BF9 (i) und BF10 (j) zeigen die relative Verteilung von Bereichen mit stark bis mäßig getrennten Mikroaggregaten, die eine starke mikrogranulare Struktur bilden, und Bereichen mit koaleszierten Mikroaggregaten, die eine mäßige bis schwache mikrogranulare Struktur bilden. Stablänge: 5 mm.

Mehrere ferralische B-Horizonte unter den zehn untersuchten Horizonten zeigten Strukturen, die aus der Aktivität der Bodenmakrofauna resultieren18,23,43,44. So zeigte BF2 in Bereichen mit stark zusammengewachsenen Mikroaggregaten das Vorhandensein von Querschnitten mehrerer Galerien oder Hohlräume mit einer Größe von 2 bis 10 mm, die teilweise mit locker gepackten Mikroaggregaten gefüllt waren und aus Termiten- oder Ameisenaktivität resultierten (Abb. 1b, Ergänzung). Abb. 1). Dann zeigte BF7 in einem Bereich mit einer starken mikrogranularen Struktur das Vorhandensein des Querschnitts einer Galerie oder eines Hohlraums von 5 mm Größe und vollständig gefüllt mit locker gepackten Mikroaggregaten, die aus der Termitenaktivität resultieren, wie durch die resultierenden Wände angezeigt Mikroaggregate verklebten und bildeten so eine dichte Packung (Abb. 1g, ergänzende Abb. 2). In BF9 wurde der Querschnitt einer Galerie oder eines Hohlraums, der aus der Aktivität von Termiten oder Ameisen resultierte, in einem Bereich mit zusammengewachsenen Mikroaggregaten von 3 bis 6 mm Größe beobachtet, der vollständig mit locker oder dicht gepackten Mikroaggregaten gefüllt war (Abb. 1i, Ergänzung). Abb. 3). Schließlich wurden in BF3 und BF10 gekrümmte längliche Bereiche mit einer Breite von 0, 5 bis 2 mm mit zusammengewachsenen Mikroaggregaten beobachtet, die als Überreste von Wänden von Galerien oder Hohlräumen mit einem Durchmesser von mehreren Millimetern interpretiert werden können, die durch Termitenaktivität entstanden sind (Abb. 1d, ergänzende Abb . 4). Solche Galerien oder Hohlräume, die mit locker oder dicht gepackten Mikroaggregaten gefüllt sind, wurden früher in der optischen Mikroskopie als Folge der Aktivität von Termiten oder Ameisen beschrieben23,43,45,46. So wiesen die Hälfte der untersuchten ferralischen B-Horizonte Reste von Galerien oder Hohlräumen auf, die auf die Aktivität von Termiten oder Ameisen zurückzuführen waren.

Anschließend suchten wir nach weiteren Beweisen für die Aktivität sozialer Insekten, indem wir die Verteilung von Kalium 2:1-Tonmineralien untersuchten, die zuvor als Marker für Termitenaktivität diskutiert wurden11,21. Angesichts der Schwierigkeit, zu unterscheiden, was sich aus der Aktivität von Termiten und Ameisen ergibt, gehen wir hier davon aus, dass das Vorhandensein von Mineralien im Verhältnis 2:1 mit der Aktivität dieser sozialen Insekten im untersuchten Boden zusammenhängt. Die Analyse der Querschnitte zeigte das Vorkommen von Kalium-2:1-Tonmineralien in allen untersuchten ferralischen B-Horizonten (Tabelle 1). Sie wurden durch die Kopplung von Rückstreuelektronen-Rasterbildern (BESI) und Bildern der K- und Si-Konzentration mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS) identifiziert (Abb. 2). In BF1 wurden viele sehr große längliche Partikel mit einer Länge von 50 bis 500 μm beobachtet, die diesen Kalium 2:1-Tonmineralien in Verbindung mit zahlreichen kleineren länglichen Partikeln mit ähnlicher chemischer Zusammensetzung entsprachen (Tabelle 1). In den anderen ferralischen B-Horizonten waren alle länglichen Partikel, die den Kalium 2:1-Tonmineralien entsprachen, weniger als 50 μm lang, außer in BF3 und BF10, wo sie weniger als 20 μm waren (Tabelle 1). Unabhängig von ihrer Größe und ihrer Anzahl in den verschiedenen Größenklassen waren diese Marker für die Aktivität von Termiten oder Ameisen in stark bis mäßig getrennten subangularen Mikroaggregaten vorhanden, die die starke mikrogranulare Struktur bildeten, sowie in den zusammengewachsenen subrunden Mikroaggregaten, die die schwache Mikrostruktur entsprechend bildeten Reste von Wänden von Galerien oder Hohlräumen (Abb. 1 und 2).

Beobachtung länglicher Tonpartikel unterschiedlicher Größe und Konzentration in Rückstreuelektronen-Rasterbildern (BESI) und chemische Analyse mithilfe energiedispersiver Spektrometrie (EDS) in BF1 (a,d,g,j,m), BF9 (b,e, h,k,n) und BF10 (c,f,i,l,o). BESI bei geringer Vergrößerung zeigen die Entwicklung einer Mikrostruktur mit stark bis mäßig getrennten Mikroaggregaten, die eine starke mikrogranulare Struktur in BF1 (a und c) und BF10 bilden, und einer mäßigen bis schwachen mikrogranularen Struktur mit koaleszierten Mikroaggregaten. Kalium 2:1-Schichtsilikate sind auf BESI bei starker Vergrößerung und auf der Karte der K- (j–l)- und Si-(m–o)-Verteilung in Letzterem leicht zu erkennen. Stablänge: 400 μm (a–c), 20 μm (d–f), 10 μm (g–o).

Unsere Ergebnisse zeigen, dass unabhängig von der Art der mikrogranularen Struktur Kalium 2:1-Phyllosilikate in allen untersuchten ferralischen B-Horizonten vorhanden waren (Tabelle 1)11,21. Sie waren in unterschiedlichen Anteilen in den Mikroaggregaten vorhanden, wobei je nach untersuchtem ferralischem B-Horizont einige Schwankungen in der chemischen Zusammensetzung auftraten, vermutlich aufgrund von Schwankungen in der mineralogischen Zusammensetzung des Ausgangsmaterials (Tabelle 2)23,47,48. Die Strukturformel für diese 2:1-Schichtsilikate wurde auf der Grundlage der Struktur eines 2:1-Schichtsilikats und für eine punktuelle chemische Analyse länglicher Partikel berechnet, die einen K2O-Gehalt im Bereich von 7,0 bis 12,4 % der Masse der Oxide aufweisen, wobei letzteres K2O ist Inhalt entsprechend einem theoretischen Moskauer49. Die Ergebnisse zeigten ähnliche gemittelte Strukturformeln mit der Substitution von Si4+ durch Al3+ in den tetraedrischen Plätzen mit einer mittleren Anzahl von Al3+ im Bereich von 0,91 (BF6) bis 1,18 (BF4) pro Halbelementarzelle und einer mittleren Anzahl von K+ im Zwischenschichtraum von 0,60 (BF5) bis 0,89 (BF10) pro halbe Elementarzelle für die zehn untersuchten ferralischen B-Horizonte (Tabelle 2). Die Ergebnisse zeigten auch, dass die mittlere Anzahl an Fe3+ in den Oktaederplätzen zwischen 0,15 (BF1) und 0,41 (BF10) lag, mit einer hohen Variabilität zwischen den Analysen in jedem untersuchten ferralischen Horizont (Tabelle 2, Ergänzungstabelle). Einige Partikel zeigten auch das Vorhandensein von Na+ im Zwischenschichtraum mit einer durchschnittlichen Anzahl von Na+ pro Halbelementarzelle von 0,13 in BF1, 0,10 in BF9 und 0,08 in BF5 (Tabelle 2). Die berechneten gemittelten Strukturformeln zeigten, dass die mittlere Anzahl oktaedrischer Hohlräume pro Halbelementarzelle zwischen 2,07 (BF6 und F10) und 2,16 (BF3) lag, während die Anzahl oktaedrischer Hohlräume pro besetzter Halbelementarzelle bei einem Dioktaeder 2,00 beträgt 2:1 Schichtsilikat49. Der geringe Überschuss an oktaedrischen Hohlräumen könnte mit dem Vorhandensein von Hydroxy-Al im Zwischenschichtraum zusammenhängen (Tabelle 2, Ergänzungstabelle). Folglich könnte sich ein Teil von Al3+ innerhalb des Zwischenschichtraums befinden und nicht ausschließlich in den tetraedrischen und oktaedrischen Hohlräumen, wie für die Berechnung der Strukturformeln angenommen. Das geringe Defizit an positiven Ladungen im Zwischenschichtraum im Vergleich zu den negativen Ladungen, die aus Substitutionen in den tetraedrischen und oktaedrischen Hohlräumen resultieren, könnte auch mit der Anwesenheit von Hydroxy-Al im Zwischenschichtraum zusammenhängen, wodurch austauschbare Stellen blockiert werden im schlecht verwitterten Muskovit zunächst mit K+ oder Na+ besetzt (Tabelle 2)49. Unabhängig von den kleinen Variationen der aufgezeichneten gemittelten Strukturformeln handelt es sich jedoch ausschließlich um dioktaedrische Kalium-2:1-Phyllosilikate, die denen ähneln, die als Marker für die Aktivität bodenfressender Termiten identifiziert wurden. Diejenigen mit der höchsten mittleren K+-Zahl pro Halbelementarzelle im Zwischenschichtraum entsprechen schlecht verwittertem Muskovit, und diejenigen mit der kleinsten mittleren K+-Zahl im Zwischenschichtraum entsprechen Hydroxy-Al-Zwischenschichtvermiculiten, die aus tieferer Verwitterung resultieren Muskovit11,21,49.

Der Prozess, der für das Vorhandensein dieser mineralogischen Marker der Aktivität von Termiten oder Ameisen verantwortlich ist, beginnt mit der Aufnahme kleiner Saprolitmengen, die reich an schwach bis stark verwitterten phyllitischen Mineralien sind, mehrere Meter tiefer und deren Einbau in ferralische B-Horizonte. Dies wurde bereits früher bei dem hier untersuchten BF621 sowie bei BF1 in dieser Studie beobachtet (Abb. 2a). Obwohl die Motivation für einen solchen Aufwärtstransport kleiner Mengen Saprolitmaterial durch Termiten oder Ameisen immer noch heftig diskutiert wird2,50,51,52,53, wurden bereits früher im Feld im darunter liegenden Saprolit und Regolith Galerien beobachtet, die aus der Ausgrabungsaktivität von Termiten resultierten2 . Sie wurden tatsächlich in mehreren Dutzend Metern Tiefe in südamerikanischen, afrikanischen und australischen Regolithen2,54,55 und sogar in den siebziger Jahren in einer Tiefe von etwa 70 m in einem brasilianischen Regolithen56 gefunden. Diese Ausgrabungstätigkeit wurde als Tonabbautätigkeit interpretiert, um das Tonmaterial in den Oberboden zu bringen, das zum Aufbau stabiler Strukturen erforderlich ist, die in der Lage sind, angemessene Feuchtigkeitsbedingungen im Termitenberg aufrechtzuerhalten2,51,55. Während dies für sandige Böden angenommen werden kann57, ist dies für die Böden dieser Studie nicht der Fall, da sie größtenteils sehr tonhaltig sind23. Wie in mehreren experimentellen Studien gezeigt wurde, könnte die Notwendigkeit, dass Termiten Zugang zu Nährstoffen wie K+ und Na+ in ausreichender Menge haben, während der Untergrund weitgehend davon erschöpft ist, den Aufwärtstransport saprolitreicher Tone mit austauschbarem K+ und Na+50 erklären. 51,52,58. Was auch immer die Beweggründe sein mögen, die die Termiten oder Ameisen dazu veranlassen, Saprolitmaterial nach oben zu transportieren, das Ergebnis ist eine Aushubtätigkeit, die den Boden neu organisiert, was zu Galerie- oder Hohlraumwänden führt, die aus unterrundeten, dicht gepackten Mikroaggregaten innerhalb einer Grundmasse bestehen, die aus untereckigen, lockeren Mikroaggregaten besteht -gepackte Mikroaggregate, die aus der Langzeitarbeit der Fragmentierung, Ausgrabung und Transporttätigkeit resultieren und so das Material vermischen, das aus der geochemischen Entwicklung des gesamten Bodens auf einer geologischen Zeitskala resultiert7,8,9. Anschließend wird Saprolitmaterial nach und nach in eine zunehmende Anzahl von Mikroaggregaten eingearbeitet und verdünnt, wie in Abb. 3 dargestellt, wobei die allochthonen 2:1-Phyllosilikate unabhängig von ihrem K2O-Gehalt weiterhin in Kontakt mit der Bodenlösung verwittern.

Schematische Darstellung der fortschreitenden Integration von (a) bis (c) des durch die Aktivität von Termiten oder Ameisen aus dem Saprolithen hervorgebrachten Materials. In (a) stammen einige Mikroaggregate im ferralischen B-Horizont direkt vom Saprolit mit einem hohen Gehalt an für letzteren spezifischen Mineralien. Anschließend werden diese allochthonen Mineralien dank der Grabungs- und Mischaktivität von Termiten oder Ameisen (von b bis d) nach und nach in immer mehr Mikroaggregate eingebaut. Stablänge: 500 μm.

Daher scheint die physische Fruchtbarkeit der Ferralsole größtenteils mit der Aktivität von Termiten und Ameisen zusammenzuhängen, die in den letzten Hunderttausenden von Jahren stattgefunden hat, wenn nicht sogar älter, da die tiefe tropische Verwitterung hauptsächlich im Tertiär stattfand, und die hat Schwankungen in den klimatischen Bedingungen und in der Folge in der Bodenfauna und -vegetation festgestellt2,59,60,61. Heutzutage ist es schwierig, die Folgen der intensiven Landwirtschaft auf solch stark mikroaggregierte Ferralsole abzuschätzen, da es sich hierbei um eine neue Veränderung in Brasilien handelt. Wenn in Brasilien nach intensiver Kultivierung eine Entwicklung der mikrogranularen Struktur von Ferralsolen und damit ihrer physischen Fruchtbarkeit im Gange ist, ist diese wahrscheinlich noch kaum oder gar nicht wahrnehmbar. Es ist jedoch die Fähigkeit dieser Böden, Wasser aus intensiven tropischen Regenfällen zu infiltrieren und so den Abfluss und die daraus resultierende Bodenerosion zu kontrollieren, die fraglich ist, wenn sich die mikrogranulare Struktur von Ferralsolen verschlechtert19,20. Daher sind detaillierte Studien über die Auswirkungen intensiver Bewirtschaftung auf die Artenvielfalt der Termiten- und Ameisenpopulationen, insbesondere derjenigen, die für die mikrogranulare Struktur von Ferralsolen verantwortlich sind, die ursprünglich unter einheimischer Vegetation vorhanden waren, dringend angezeigt und müssen gefördert werden.

Die untersuchten Ferralsole befinden sich im brasilianischen Zentralplateau, wo zwei geomorphologische Hauptoberflächen identifiziert werden können: die spättertiäre südamerikanische Oberfläche, die Hochebenen entspricht (normalerweise 900 bis 1200 m hoch), wo gibbsitisch-sesquioxidische Ferralsole vorherrschen, und die spätquartäre Velhas-Oberfläche (5 bis 25 m unter der südamerikanischen Oberfläche) mit mäßigem Gefälle, wo es zahlreiche kaolinitische, nicht-sesquioxidische Ferralsole gibt23,62,63. Das repräsentativste Klima des brasilianischen Zentralplateaus ist megathermisch oder feuchttropisch (Aw) mit dem Savannen-Subtyp63. Es zeichnet sich durch maximale Regenfälle im Sommer und einen trockenen Winter aus (Durchschnittstemperatur des kältesten Monats > 18 °C). Die durchschnittliche jährliche Niederschlagsmenge liegt zwischen 1500 und 2000 mm (Peel et al.64). Zehn ferralische B-Horizonte (BF1 bis BF10) von Ferralsolen (F1 bis F10), die den zuvor untersuchten Ferralsolen (L1 bis L10) entsprechen, wurden ausgewählt23,47,48. Die Lage und Hauptmerkmale dieser Ferralsole (Orthische Ferralsole: F2, F5 und F7; Rhodische Ferralsole: F1, F6, F8, F9 und F10; Xanthische Ferralsole: F3; Plinthische Ferralsole: F4) (WRB), die entweder zum Süden gehören Amerikanische Oberfläche (BF2 bis BF4) oder zur Velhas-Oberfläche (BF1 und BF5 bis BF6) finden sich in diesen früheren Studien23,47. Sie befanden sich alle unter einheimischer Waldvegetation, mindestens 30 m von sichtbaren Termitenbergen entfernt. Sie entwickelten sich auf einer Vielzahl von Ausgangsmaterialien (Granulit: F1; sandiger Metharithimit: F2 und F3; Quarzit: F4; toniger Metharithimit: F5; Metapelit: F6, F7 und F8; Metapelit und Kalkstein: F9; Kalkstein: F10)48, 65. Ihre ferralischen B-Horizonte wurden in einer Tiefe von 0,85 m (BF4) bis 1,70 m (BF6) gesammelt und waren stark tonhaltig mit einem Tongehalt von 520 (BF1) bis 780 g kg−1 (BF6)48,65. Ihr Kaolinitgehalt reichte von 196 (BF1) bis 645 g kg−1 (BF9), ihr Gibbsitgehalt von 183 (BF9) bis 625 g kg−1 (BF4), ihr Hämatitgehalt von 0 (BF3 und BF4) bis 205 g kg−1 (BF1) und deren Goethitgehalt von 0 (BF10) bis 178 g kg−1 BF4)65. Neuere Studien wurden zu BF2 und BF511 und dann zu BF1, BF4 und BF621 durchgeführt. In ähnlichen Böden in der Cerrado-Region wurde gezeigt, dass die meisten Bodenmakrowirbellosen unter einheimischer Vegetation Termiten-Taxons waren (76,0 % der Gesamtdichte in Ind. m-2), während Formicidae-Taxons viel weniger vorhanden waren (8,9 % der Gesamtdichte in ind. m−2)66. Diese Ergebnisse stimmen mit den zuvor aufgezeichneten Ergebnissen überein38. Darüber hinaus widmeten sich mehrere Studien der Bestandsaufnahme von Termiten- und Ameisenfamilien, die in dieser Region unter der einheimischen Cerrado-Vegetation vorkommen66,67.

Ungestörte Proben wurden gesammelt, getrocknet und dann in ein Polyesterharz eingebettet68. Nach der Polymerisation und Aushärtung wurden kreisförmige Querschnitte mit einem Durchmesser von 2,5 cm hergestellt und zur Untersuchung mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) unter Verwendung von Rückstreuelektronenrasterbildern (BESI)66 mit Kohlenstoff beschichtet. Mehrere Beobachtungen bei geringer Vergrößerung (× 30 bis × 40) wurden zusammengestellt, um die Entwicklung der mikrogranularen Struktur abzubilden, die auf den Kreuzschnitten sichtbar ist. 2,5 cm Durchmesser. Beobachtungen bei höheren Vergrößerungen (× 500 bis × 5000) wurden verwendet, um Partikel von Phyllosilikaten in der Grundmasse der mikrogranularen Aggregate zu identifizieren11,21. Das verwendete Rasterelektronenmikroskop (REM) war ein Merlin Compact Zeiss-Mikroskop (Auflösung von 0,8 nm bei 15 kV und 1,6 nm bei 1 kV; Spannung im Bereich von 20 V bis 30 kV; Sondenstrom im Bereich von 12 pA bis 100 nA). Es war mit einer Gemini I-Säule einschließlich eines Rückstreuelektronendetektors (BSD) mit fünf Quadranten zur Erfassung der Rückstreuelektronen-Rasterbilder (BESI) ausgestattet. Die Beobachtungen wurden bei einer Beschleunigungsspannung von 15 kV und einem Arbeitsabstand von 10 mm durchgeführt.

Chemische Analysen wurden mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS) mit einem Quantax XFlash6 Bruker-Detektor durchgeführt, der eine Auflösung von 129 eV ermöglicht. Die Analysen wurden auch bei einer Beschleunigungsspannung von 15 kV durchgeführt. Das REM wurde mit einer Auflösung von 0,8 nm und einem Sondenstrom von 1,6 nA betrieben. Für punktuelle Analysen wurde eine Zählzeit von 100 s verwendet. Die gesamte chemische Zusammensetzung wurde auf der Grundlage ausgedrückt, dass die Summe der Oxidmassen für die Bestimmung von SiO2, Al2O3, Fe2O3, MgO, CaO, K2O sowie Na2O und TiO211,21 100 beträgt. Bilder der K-Konzentration in allen Bildern wurden mit einer Aufnahmezeit von 5 Minuten aufgenommen. Die chemische Zusammensetzung der halben Elementarzelle wurde auf der Grundlage der Strukturformel eines dioktaedrischen 2:1-Phyllosilikats als Strukturmodell berechnet, nachdem zunächst das gesamte Al3+ in den tetraedrischen Hohlräumen angeordnet wurde, um die vier mit Si4+ und Al3+ besetzten Hohlräume zu erhalten verbleibendes Al3+ in den oktaedrischen Hohlräumen11,21. Das gesamte Fe3+, Mg2+ und Ti4+ befand sich in den oktaedrischen Hohlräumen und das gesamte K+, Na+ und Ca2+ im Zwischenschichtraum, um die negative Ladung der Schicht auszugleichen, die aus den Substitutionen von Si4+ durch Al3+ im Tetraeder resultierte Hohlräume und von Al3+ durch Mg2+ und Ti4+ in den oktaedrischen Hohlräumen.

Die in der aktuellen Studie verwendeten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Die Autoren danken Ida Di Carlo (CNRS) für die Verwaltung der SEM/EDS-Ausrüstung sowie für die fachkundige Beratung zu den aufgezeichneten chemischen Analysen. Sie danken Christian Le Lay (INRAE) für die Imprägnierung der Proben, Sylvain Janiec (Universität Orléans) für die Herstellung erstklassiger polierter Schnitte und seiner technischen Unterstützung mit Patricia Benoist-Juliot (CNRS) während der Beobachtungs- und Analysesitzungen mit dem SEM/EDS. Sie danken der Gruppe für Pedologie und Geomorphologie von Embrapa Cerrados für ihre Fachkompetenz bei der Lokalisierung der zu beprobenden Böden und ihre Unterstützung vor Ort bei der Probenentnahme und im Labor bei der routinemäßigen Charakterisierung der gesammelten Böden. Diese Forschung ist Teil des Embrapa Cerrados-IRD-Projekts Nr. 0203205 (Kartierung der Biom-Cerrado-Landschaft und Funktion repräsentativer Böden). Abschließend danken die Autoren auch für die finanzielle Unterstützung der Projekte LabEx VOLTAIRE (ANR-10-LABX-100-01) und EquipEx PLANEX (ANR-11-EQPX-0036).

Orléans Earth Sciences Institute (ISTO), UMR7327, UO, CNRS, BRGM, Observatory of Universe Sciences in the Central Region (OSUC), Universität Orléans, 1A Rue de la Férollerie, 45071, Orléans, Cedex 2, Frankreich

Und Bruand

Sekretariat für Forschung und Entwicklung, Brasilianische Agrarforschungsgesellschaft (Embrapa), Parque Estação Biológica-PqEB s/no, Brasília, DF, Brasilien

Adriana Reatto

Institut für Entwicklungsforschung (IRD), Eco&Sols, UMR IRD, INRAE, CIRAD, Institut Agro, Universität Montpellier, Montpellier, Frankreich

Michael Brossard

Institut für Entwicklungsforschung (IRD), Institut für Ökologie und Umweltwissenschaften von Paris (iEES Paris), UPEC, CNRS, IRD, INRAE, UMR Sorbonne-Universität, Paris, Frankreich

Pascal Jouquet

Brasilianische Agrarforschungsgesellschaft (Embrapa Cerrados), Brasília, DF, Brasilien

Eder de Souza Martins

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AR, AB, MB und EdSM haben die Studie konzipiert und gestaltet. AR und EdSM führten die Feldbeprobung durch. AB und AR führten die Datenerfassung durch. Alle Autoren diskutierten ausführlich über die Ergebnisse und trugen zur Bearbeitung des Manuskripts bei.

Korrespondenz mit Ary Bruand.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

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Eingegangen: 28. April 2023

Angenommen: 28. Juli 2023

Veröffentlicht: 31. Juli 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39654-w

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