Characteristics of Fabricated Soil for Landscape Rehabilitation: The Four Crop Test for Biological Activity

A d v a n c e s in M o l e c u l a r B i o l o g y (2): 79-85, 2008 istanbul Kultur University, Printed in Turkey www.advmolbiol.org

C h a r a c t e r i s t i c s o f f a b r i c a t e d s o i l f o r l a n d s c a p e r e h a b i l i t a t i o n :

The f o u r c r o p test f o r b i o l o g i c a l a c t i v i t y

Valentin Kefeli

1

* Christopher

Leininger

2

Shari Mastalski

2

Kimberly Pincin

1 1 S l i p p e r y R o c k U n i v e r s i t y , S l i p p e r y R o c k P A 1 6 0 5 7 , U S A 2 D e p t . o f P a r k s , R e c r e a t i o n a n d E n v i r o m e n t S c i e n c e , S l i p p e r y R o c k U n i v e r s i t y , S l i p p e r y R o c k P A 1 6 0 5 7 , U S A

A b s t r a c t

F a b r i c a t e d s o i l ( F S ) i s a m i x t u r e o f s u b s t r a t e s c o n t a i n i n g b a l a n c e d a m o u n t s o f c a r b o n , n i t r o g e n , p h o s p h o r u s , p o t a s s i u m a n d m i n e r a l e l e m e n t s t h a t s u p p o r t p l a n t g r o w t h . I n o u r e x p e r i m e n t s , w e u s e F S f o r t h e r e h a b i l i t a t i o n o f l a n d f r o m m i n i n g s o i l p o l l u t a n t s . C h a r a c t e r i s t i c s o f f a b r i c a t e d s o i l w e r e d e t e r m i n e d i n c l u d i n g m e a s u r e m e n t s o f N , P , K ; o t h e r n u t r i t i v e e l e m e n t s i n c l u d i n g M g , C a , S , a n d F e ; a n d m i c r o - e l e m e n t s a n d t o x i c e l e m e n t s i n c l u d i n g M n , Z n , A l , N i , a n d P b . A l s o , m i c r o b i a l a c t i v i t y o f t h e s o i l w a s t e s t e d t o d e t e r m i n e f u n g a l a n d b a c t e r i a l p r e s e n c e . A f t e r i n v e s t i g a t i n g t h e s e s o i l c h a r a c t e r i s t i c s , w e u s e d a f o u r - c r o p t e s t t o i n v e s t i g a t e f a b r i c a t e d s o i l s a n d r e l a t e d s u b s t r a t e s f o r b i o l o g i c a l a c t i v i t y . S o i l h e a l t h i n c l u d e s a b a l a n c e o f m i n e r a l a n d o r g a n i c e l e m e n t s a n d h e a l t h y m i c r o b i a l a c t i v i t y . T h e s e c h a r a c t e r i s t i c s p l a y t h e k e y r o l e i n t h e s o i l ' s a b i l i t y t o s u p p o r t t h e g r o w t h o f h i g h e r p l a n t s w h i c h c o m p l e t e t h e r e g e n e r a t i v e p r o c e s s o f s o i l c y c l i n g . H e a l t h y s o i l s p r o v i d e m a t e r i a l s f o r f o o d , e n e r g y , a n d s h e l t e r . H e a l t h y s o i l s a r e c r u c i a l t o a l l b i o l o g i c a l , g e o l o g i c a l , a n d w a t e r c y c l e s .

Introduction

T h e p r e s e n t s t u d y i s a c o n t i n u a t i o n o f r e s e a r c h a t t h e C e n t e r o f R e s t o r a t i o n o f B i o l o g i c a l C y c l e s w h i c h i s l o c a t e d i n J e n n i n g s E n v i r o n m e n t a l E d u c a t i o n C e n t e r , S l i p p e r y R o c k , P A . A t t h e C e n t e r , m i n i n g s i t e r e s t o r a t i o n i s t h e f o c u s f o r i n t e g r a t i v e s t u d i e s o f r e g e n e r a t i o n o f w a t e r a n d s o i l c y c l e s a s w e l l a s s h e l t e r c o n s t r u c t i o n . A s p a r t o f t h e s t u d y o f s o i l r e s t o r a t i o n i n m i n e d a m a g e d a r e a s , n a t i v e s o i l p r o f i l e s w e r e s t u d i e d for W e s t e r n P e n n s y l v a n i a G r e s h a m S o i l ( K e f e l i e t al., 2 0 0 6 ) . S o i l s w e r e t h e n f a b r i c a t e d a n d o b s e r v e d for q u a l i t i e s n e c e s s a r y t o r e s t o r e m i n e d a m a g e d a r e a s . N a t i v e a n d f a b r i c a t e d s o i l s w e r e a n a l y z e d for m i n e r a l a n d o r g a n i c c o n t e n t a n d m i c r o b i a l a c t i v i t y . T h e f o u r c r o p t e s t w a s d o n e t o d e t e r m i n e t h e ability o f t h e v a r i o u s s o i l s t o s u p p o r t p l a n t g r o w t h .

T h e ability for s o i l s t o s u p p o r t life d e p e n d s o n t h e a v a i l a b i l i t y o f n u t r i t i v e m a c r o - a n d m i c r o - e l e m e n t s a n d a l s o o n p r o t e c t i o n f r o m t o x i c e l e m e n t s . T h e p r e s e n c e o f f u n g i a n d b a c t e r i a i s a n i n d i c a t o r o f s o i l h e a l t h . T h e s e o r g a n i s m s p l a y i m p o r t a n t r o l e s i n t h e s u s t a i n a b i l i t y o f s o i l s a n d t h e s o i l ' s r e l a t i o n s h i p w i t h t h e p l a n t s it s u p p o r t s . P r e v i o u s w o r k by K e f e l i et al. ( 2 0 0 6 ) a n a l y z e d s o i l f o r m i c r o b i a l a c t i v i t y a n d e l e m e n t a l c o n c e n t r a t i o n s . T h e s e s t u d i e s c o m p a r e d f a b r i c a t e d , f o r e s t , a n d m i n i n g s o i l s a m p l e s . I n a d d i t i o n , t h e s e s t u d i e s r e v e a l e d c h a n g e s o v e r t h e c o u r s e o f f i v e y e a r s i n l e v e l s o f n u t r i t i v e e l e m e n t s i n f a b r i c a t e d s o i l s . K e y w o r d s : F a b r i c a t e d s o i l , f o u r - c r o p t e s t * Correspondence Author:

329 North Main Street, Slippery Rock, PA 16057, 724-738-0845, USA

E-mail: [email protected]

BIOLOGICAL CYCLES RESTORATION

F i g u r e 1. The Center of Restoration of Biological Cycles restores soil, water, and shelter cycles.

Materials and methods

F o u r c r o p t e s t First w e d e t e r m i n e d t h e m o s t a p p r o p r i a t e v e s s e l c h o i c e f o r o u r e x p e r i m e n t w i t h a p r e l i m i n a r y e x p e r i m e n t u s i n g K o c h d i s h e s , P e t r i d i s h e s , a n d f l a s k s . T h e K o c h d i s h e s h a d n e a r l y 1 0 0 % g e r m i n a t i o n r a t e . W e d i d t h e f o u r c r o p t e s t i n b o t h K o c h d i s h e s a n d Petri d i s h e s . A c i r c l e o f filter p a p e r w a s p l a c e d i n t h e b o t t o m o f e a c h d i s h . O n t o p o f t h e p a p e r a S t y r o f o a m c r o s s w a s p l a c e d t o d i v i d e t h e f o u r v a r i e t i e s o f s e e d s . S o i l w a s p l a c e d i n t h e d i s h e s . E a c h c o n t a i n e r r e c e i v e d 2 0 m l o f s i n k w a t e r w h i c h m e a s u r e d a p H o f 6 . 5 5 . O n e v a r i e t y o f s e e d w a s p l a c e d i n e a c h q u a d r a n t o f t h e d i s h e s . W e u s e d t u r n i p , l e t t u c e , r y e , a n d c l o v e r t o d e t e r m i n e t h e ability o f t h e s o i l s t o s u p p o r t p l a n t g r o w t h . T h e s o i l s w e r e f o r e s t s o i l , r e s t o r e d s o i l f r o m t h e D e S a l e r e s t o r a t i o n s i t e , f a b r i c a t e d s o i l f r o m t h e J e n n i n g s r e s t o r a t i o n s i t e , a n d m i n i n g s o i l . A f t e r o n e w e e k , t h e f i v e l o n g e s t s h o o t s o f e a c h s e e d v a r i e t y w e r e m e a s u r e d a n d a v e r a g e d . A p e r c e n t a g e w a s d e t e r m i n e d b a s e d o n t h e g r o w t h o f t h e s e e d l i n g s o n t h e f o r e s t s o i l . O b s e r v a t i o n s T h e s e e d l i n g s i n t h e K o c h d i s h e s h a d n e a r l y 1 0 0 % g e r m i n a t i o n . T h e P e t r i d i s h e s d r i e d o u t , d e c r e a s i n g g e r m i n a t i o n a n d g r o w t h . H o w e v e r , t h e m i n i n g s o i l i n t h e P e t r i d i s h r e m a i n e d w e t a n d g r e w m o l d . T h e s e e d l i n g s g r e w s u c c e s s f u l l y i n t h e K o c h d i s h e s . C o m p a r e d t o t h e f o r e s t s o i l s a s c o n t r o l s , t h e s e e d l i n g g r o w t h i n t h e o t h e r s o i l s v a r i e d f r o m 7 6 % t o 1 1 4 % . T h e e x c e p t i o n t o t h i s i s t h e m i n i n g soil w h i c h h a d a p H o f 4 . 3 , s i g n i f i c a n t l y l o w e r t h a n t h e o t h e r s a m p l e s w h i c h a v e r a g e d 6 . 7 . T h e g r o w t h r a t e s i n t h e m i n i n g s o i l r a n g e d f r o m 1 3 % t o 4 0 % c o m p a r e d w i t h t h e c o n t r o l a v e r a g e s .

F o u r c r o p t e s t o r b i o l o g i c a l a c t i v i t y Kefeli et al

81

30000.00 25000.00 — 20000.00 S S 15000.00 & u 10000.00 5000.00 0.00 «i Si in E;

í=!¿ ss

5! i f

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5_

(D05 •tf CTI CM CO

g S

t: w

CM CM

. r ñ . m

.

F i g u r e 2. Forest Soil 2 c c 7 , Chestnut Project.

Elements 180000.00 160000.00 140000.00 — 120000.00

i

~ 100000.00

_c

o

e

S 80000.00

s

c

o

u 60000.00 40000.00 20000.00 0.00

o8S 8 8 §

_sa

rococo CM T- O ) C O L O - * o d « C O W '- N-CD • Front • Right Side • Side Mn totre CO CO l i X O l ^ J COCOCNJ o i ^ J o cooqcM OCM<2 o i r ^ ? -Cs¡ CM

p i

1

cqo) CM-* m-* com co CO mat coco coa S ¿* * £ X ? r ¿

# ^ ^ ^

Elements F i g u r e 3. De Sale 2 c c 7

30000.00 25000.00 E 20000.00 15000.00 10000.00 5000.00 40000.00 35000.00 30000.00 ? 25000.00

Oí

£

c g

I

c

8

20000.00 15000.00 10000.00 5000.00 0.00 0.00

• Seeds Plot - Chestnut Project

• Trees Plot COOT ens.

CM un oo e n g o i p to

I*-m

sa

F i g u r e 4. Fabricated Soil 2 0 0 7 . Elements 35420.12 16318.75 7827.00 2100.00

n

487.00 4.32 65.68 33.84 95.41 18.60 65.22 1922.18 I 260.87 J 1

/ • • •

Elements F i g u r e S. Mining Soil 2007

F o u r c r o p t e s t o r b i o l o g i c a l a c t i v i t y Kefeli et al

83

35000.00 30000.00 25000.00 E 20000.00 15000.00 10000.00 5000.00 0.00 28670.15 26396.39 8761.34 6792.68 6041.00 821.56 13.50 3083.00

n

6822.60 49.56 / c / c / ^ / • • / 6006.24 4268.55 Elements

F O U R - C R O P T E S T I N K O C H D I S H E S S A M P L E S p H C R O P S T u r n i p L e t t u c e R y e C l o v e r 1 . F o r e s t S o i l p H 6.5 5.2 4.1 8.1 4 . 7 C h e s t n u t P r o j e c t O n e 2 . F o r e s t S o i l p H 6.4 4 . 6 3.5 7.9 4 C h e s t n u t P r o j e c t T w o A v g . F o r e s t S o i l 4 . 9 = 1 0 0 % 3 . 8 = 1 0 0 % 8.0 = 1 0 0 % 4 . 4 = 1 0 0 % 3 . D e S a l e F r o n t (%) p H 6.6 5 3.1 8.9 4 . 3 1 0 2 9 8 111 9 7 4 . D e S a l e R i g h t (%) p H 6.7 4 . 6 3.3 7.6 5 9 4 8 7 9 5 1 1 4 5 . F S S e e d P l o t p H 6 . 8 4 . 2 3 8.2 3 . 6 C h e s t n u t P r o j e c t (%) 8 6 7 9 1 0 2 8 2 6 . F S T r e e s p l o t (%) p H 6 . 8 4 . 9 2 . 9 7.3 4 . 5 1 0 0 7 6 9 1 1 0 2 7 . D e S a l e M n (%) p H 6.7 4 . 8 3 7.4 4 . 8 9 8 7 9 9 3 1 0 9 8. M i n i n g S o i l (%) p H 4 . 3 1.9 0.5 2 . 7 1.8 3 9 13 3 4 4 0

Results

T h e m i n i n g s o i l c o n t a i n s l e s s n i t r o g e n i n c o m p a r i s o n w i t h t h e f a b r i c a t e d s o i l . T h e P h o s p h o r u s l e v e l w a s f o u r t i m e s l e s s i n t h e m i n i n g s o i l t h a n i n t h e f a b r i c a t e d s o i l ( F S ) . P o t a s s i u m l e v e l w a s s i m i l a r . M i n i n g s o i l c o n t a i n s m u c h l e s s C a a n d M g t h a n F S . T h e d y n a m i c s o f c h a n g e o f t h e s e e l e m e n t s s h o w s t h a t F S , i n f i v e y e a r s , lost p a r t o f its P h o s p h o r u s p o o l a n d C a p o o l . T h e l e v e l o f K r e m a i n e d a l m o s t t h e s a m e . A t t h e s a m e t i m e , m i n i n g soil a l s o lost p a r t o f its C a , K , M n , a n d P. T h e m i c r o b i a l a n a l y t i c s s h o w t h a t m i n i n g s o i l c o n t a i n s f e w e r m i c r o b e s t h a n F S . T h e m i n i n g s o i l c o n t a i n s o n l y f o u r t y p e s o f m i c r o b e s w h i l e t h e F S h a s t e n s p e c i e s . T h e m i c r o b i a l c o u n t f o r F S i s 7 6 - 8 2 x 1 0A6 C o u n t F u n g i U n i t s ( C F U ) / g r a m . M i n i n g s o i l h a s o n l y 3 , 6 0 0 C F U / g r a m , s i g n i f i c a n t l y f e w e r t h a n i n t h e F S . M i n i n g s o i l h a s m o s t l y u n i d e n t i f i e d a c t i n o m y c e t e s . N o a c t i n o m y c e t e s w e r e f o u n d i n F S . F S i s a l s o r i c h e r i n m i c r o o r g a n i s m s t h a n f o r e s t s o i l . T h e e x p e r i m e n t f o r b i o l o g i c a l a c t i v i t y , t h e f o u r c r o p t e s t , s h o w s t h a t m i n i n g s o i l i s t o x i c for c r o p s . I t h a s l o w e r p H t h a n o t h e r t y p e s o f s o i l . T h u s F S n o t o n l y c r e a t e s a n e w l a n d s c a p e r e h a b i l i t a t i o n s y s t e m , b u t a l s o i m p r o v e s t h e p a t t e r n o f m i n e r a l e l e m e n t s , m i c r o e l e m e n t s , a n d m i c r o b i a l c o m m u n i t y . I n a d d i t i o n , f a b r i c a t e d s o i l c r e a t e s a b e t t e r m e d i u m for p l a n t p r o p a g a t i o n .

Four c r o p t e s t o r b i o l o g i c a l a c t i v i t y Kefeli et al

85

T h e e l e m e n t a l a n a l y s i s s h o w s t h a t d u r i n g t h e five y e a r s p r e s e n c e o f F S o n m i n i n g s o i l , t h e l e v e l o f n u t r i t i v e e l e m e n t s c h a n g e d . T h e a m o u n t o f P d e c r e a s e d f i v e t i m e s . M g d e c r e a s e d t h r e e t i m e s . C o p p e r d e c r e a s e d t w o t i m e s . C o a n d Z n d e c r e a s e d b y t w e n t y t i m e s . T h i s m a y b e c o n n e c t e d w i t h t h e a c t i v i t y o f t r e e s g r o w i n g o n F S . I n five y e a r s , F S g r e a t l y d e c r e a s e d i n n u t r i t i v e e l e m e n t s , r e q u i r i n g a d d i t i o n a l n u t r i e n t s .

Conclusions

T h e s i m p l e f o u r - c r o p t e s t i s o n e s t e p i n t h e p r o c e s s o f d i s c o v e r i n g w a y s t o r e s t o r e s o i l s . I t c l e a r l y d e m o n s t r a t e s t h e i n f e r i o r i t y o f m i n i n g s o i l for g r o w t h o f p l a n t s . T h e p H i s o b v i o u s l y t h e m o s t i n h i b i t i n g f a c t o r for p l a n t g r o w t h . I n a d d i t i o n , t h e l a c k o f o r g a n i c m a t e r i a l a n d t h e l a c k o f m i c r o b i a l a c t i v i t y d e c r e a s e t h e s o i l ' s h e a l t h a n d ability t o s u p p o r t life o n all l e v e l s . T h e f a b r i c a t e d s o i l s a c t a s a t e m p o r a r y m e a s u r e t o g r o w p l a n t m a t e r i a l s . H o w e v e r , t h e d e c r e a s e i n n u t r i t i v e e l e m e n t s r e v e a l s t h e n e e d f o r c o n t i n u o u s s o i l r e h a b i l i t a t i o n a n d a s u s t a i n a b l e s y s t e m f o r r e g e n e r a t i n g n u t r i t i v e e l e m e n t s a n d o r g a n i c m a t e r i a l s . P e r h a p s t h e m o s t s i g n i f i c a n t r e s u l t s o f t h e s e s t u d i e s i s t h e g e n e r a t i o n o f q u e s t i o n s . For e x a m p l e , w h a t c a u s e s t h e d e c r e a s e i n m a n y e l e m e n t s , a n d h o w c a n t h e s e e l e m e n t s b e s u s t a i n e d w i t h o u t n o n - l o c a l i n p u t s ?

References

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