Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

استخدام تجزئة كثافة التربة لفصل برك الكربون المتميزة في التربة

Published: December 16, 2022 doi: 10.3791/64759
Automatic Translation
*1,2, *1, *1, *1
1Department of Crop and Soil Sciences, Oregon State University, 2USDA Forest Service
* These authors contributed equally

Summary

تفصل تجزئة كثافة التربة المواد العضوية في التربة إلى برك متميزة مع آليات تثبيت مختلفة ، والكيمياء ، وأوقات الدوران. تسمح محاليل polytungstate الصوديوم ذات الكثافة المحددة بفصل المواد العضوية الجسيمية الحرة والمواد العضوية المرتبطة بالمعادن ، مما ينتج عنه أجزاء من المواد العضوية مناسبة لوصف استجابة التربة للإدارة وتغير المناخ.

Abstract

المادة العضوية في التربة (SOM) عبارة عن خليط معقد من المركبات المختلفة التي تمتد من المكونات النباتية الحرة المتدهورة جزئيا إلى المركبات المعدلة ميكروبيا الموجودة في مجاميع التربة إلى المنتجات الثانوية الميكروبية عالية المعالجة ذات الارتباطات القوية بمعادن التربة التفاعلية. كافح علماء التربة لإيجاد طرق لفصل التربة إلى أجزاء يمكن قياسها بسهولة ومفيدة لنمذجة الكربون في التربة (C). يتم استخدام تجزئة التربة على أساس الكثافة بشكل متزايد ، ومن السهل تنفيذها وتنتج مجمعات C بناء على درجة الارتباط بين SOM والمعادن المختلفة ؛ وبالتالي ، يمكن أن تساعد تجزئة كثافة التربة في توصيف SOM وتحديد آليات تثبيت SOM. ومع ذلك ، فإن بروتوكولات تجزئة كثافة التربة المبلغ عنها تختلف اختلافا كبيرا ، مما يجعل من الصعب مقارنة نتائج الدراسات والنظم الإيكولوجية المختلفة. هنا ، نصف إجراء تجزئة الكثافة القوي الذي يفصل الجسيمات والمواد العضوية المرتبطة بالمعادن ونشرح فوائد وعيوب فصل التربة إلى جزأين أو ثلاثة أو أكثر من أجزاء الكثافة. غالبا ما تختلف هذه الكسور في تركيبها الكيميائي والمعدني ، ووقت الدوران ، ودرجة المعالجة الميكروبية ، وكذلك درجة استقرار المعادن.

Introduction

التربة هي أكبر مخزن للكربون الأرضي (C) ، حيث تحتوي على ما يزيد عن 1500 بيكوغرام من C في أعلى 1 متر وتقريبا ضعف هذه الكمية في المستويات الأعمق على مستوى العالم ، مما يعني أن التربة تحتوي على C أكثر من الكتلة الحيوية النباتية والغلاف الجوي مجتمعة1. تحتفظ المادة العضوية في التربة (SOM) بالمياه ومغذيات التربة وهي ضرورية لإنتاجية النبات ووظيفة النظام البيئي الأرضي. على الرغم من الاعتراف العالمي بأهمية مخزونات SOM الكافية لصحة التربة والإنتاجية الزراعية ، فقد استنفدت مخزونات التربة C بشكل كبير بسبب الإدارة غير المستدامة للغابات والزراعة ، وتغير المناظر الطبيعية ، والاحترار المناخي 2,3. أدى الاهتمام المتزايد باستعادة صحة التربة واستخدام الاحتفاظ بالتربة C كلاعب رئيسي في حلول المناخ الطبيعي إلى بذل جهود لفهم العوامل التي تتحكم في عزل التربة C واستقرارها في بيئات متنوعة 4,5.

المادة العضوية في التربة (SOM) عبارة عن خليط معقد من المركبات المختلفة التي تمتد من المكونات النباتية الحرة المتدهورة جزئيا إلى المركبات المعدلة ميكروبيا الموجودة في مجاميع التربة (المعرفة هنا على أنها مادة تتكون من مزيج من وحدات أو عناصر منفصلة) إلى المنتجات الثانوية الميكروبية عالية المعالجة ذات الارتباطات القوية بمعادن التربة التفاعلية6 . في الحالات التي يكون فيها من غير العملي تحديد المجموعة الكاملة من المركبات الفردية في SOM ، غالبا ما يركز الباحثون على تحديد عدد أقل من المجمعات الوظيفية ل C الموجودة كحقائق فيزيائية والتي تختلف حسب معدلات الدوران والتركيب الكيميائي العام ودرجة الاستقرار مع المكونات المعدنية للتربة1 ، 7. من أجل تفسير المجمعات ونمذجتها بشكل نقدي ، من الضروري أن تكون المجمعات المنفصلة صغيرة العدد ، وأن تكون قابلة للقياس مباشرة بدلا من أن تكون نظرية فقط ، وأن تظهر اختلافات واضحة في التكوين والتفاعل8.

تم استخدام العديد من التقنيات المختلفة ، الكيميائية والفيزيائية على حد سواء ، لعزل برك ذات مغزى من التربة C ، وقد تم تلخيصها جيدا بواسطة von Lützow et al.9 و Poeplau et al.10. تهدف تقنيات الاستخراج الكيميائي إلى عزل برك معينة ، مثل C المرتبطة إما ب Fe و Al11 ضعيفة البلورية أو البلورية. تم استخدام المذيبات العضوية لاستخراج مركبات معينة مثل الدهون12 ، وتم استخدام التحلل المائي أو أكسدة SOM كمقياس لتجمع قابل للذوبان يبلغ C13,14. ومع ذلك ، لا تصنف أي من طرق الاستخراج هذه جميع مجمعات C إلى كسور قابلة للقياس أو قابلة للنمذجة. يصنف التجزئة الفيزيائية للتربة كل التربة C إلى برك بناء على الحجم ويفترض أن تحلل حطام النبات يؤدي إلى تجزئة وجزيئات أصغر بشكل متزايد. على الرغم من أن الحجم وحده لا يمكن أن يفصل حطام النبات الحر عن SOM15 المرتبط بالمعادن ، فإن تحديد هذين التجمعين أمر بالغ الأهمية لفهم استقرار التربة C بسبب الاختلافات المكانية والفيزيائية والبيوجيوكيميائية الشائعة في التكوين والدوران16.

يتم استخدام تجزئة التربة C على أساس الكثافة بشكل متزايد ، ومن السهل القيام بها وتحديد مجموعات مختلفة من C بناء على درجة الارتباط بالمعادن المختلفة17،18،19 ؛ وبالتالي ، يمكن أن تساعد تجزئة كثافة التربة في توضيح آليات تثبيت التربة C المختلفة. الشرط الأساسي لتجزئة التربة هو القدرة على تشتيت الجسيمات العضوية والمعدنية بالكامل. بمجرد تشتيت المواد العضوية المتحللة الخالية نسبيا من المعادن تطفو في محاليل أخف من ~ 1.85 جم / سم 3 ، بينما تقع المعادن عادة في حدود 2-4.5 جم / سم 3 ، على الرغم من أن أكاسيد الحديد قد يكون لها كثافة تصل إلى 5.3 جم / سم3. يميل جزء الجسيمات الخفيفة أو الحرة إلى أن يكون وقت الدوران أقصر (ما لم يكن هناك تلوث كبير بالفحم) وقد ثبت أنه يستجيب بشكل كبير للزراعة والاضطرابات الأخرى. غالبا ما يكون للجزء الثقيل (>1.85 جم / سم3) أو الجزء المرتبط بالمعادن وقت دوران أطول بسبب مقاومة التحلل بوساطة الميكروبات المكتسبة عندما ترتبط الجزيئات العضوية بالأسطح المعدنية التفاعلية. ومع ذلك ، قد يشبع الجزء الثقيل (أي يصل إلى الحد الأعلى لسعة التعقيد المعدني) ، في حين أن الجزء الخفيف يمكن أن يتراكم نظريا إلى أجل غير مسمى تقريبا. وبالتالي ، فإن فهم التوزيع المادي للمادة العضوية في برك المواد العضوية المرتبطة بالمعادن مقابل الجسيمات العضوية يساعد على توضيح النظم الإيكولوجية التي يمكن إدارتها من أجل عزل الكربون بكفاءة وكيف ستستجيب النظم المختلفة لتغير المناخ والأنماط المتغيرة للاضطرابات البشريةالمنشأ 20.

في حين أن استخدام تجزئة الكثافة باستخدام محاليل polytungstate الصوديوم بكثافات مختلفة قد زاد بشكل كبير في العقد الماضي ، فإن التقنيات والبروتوكولات تختلف اختلافا كبيرا ، مما يجعل من الصعب مقارنة النتائج من الدراسات المختلفة والنظم الإيكولوجية المختلفة. على الرغم من أن كثافة 1.85 جم / سم 3 قد ثبت أنها تستعيد أكبر قدر من جزء الضوء الحر مع الحد الأدنى من تضمين المواد العضوية المرتبطة بالمعادن (MAOM) 17 ، فقد استخدمت العديد من الدراسات كثافات تتراوح بين 1.65-2.0 جم / سم3. في حين أن معظم الدراسات قد قسمت التربة إلى بركتين فقط (جزء خفيف وجزء ثقيل ، يشار إليهما فيما بعد ب LF و HF) ، فقد استخدمت دراسات أخرى كثافات متعددة لزيادة صقل الجزء الثقيل إلى برك تختلف حسب المعادن المرتبطة بها ، أو النسبة النسبية للمعادن إلى الطلاء العضوي ، أو درجة التجميع (على سبيل المثال ، سولينز وآخرون 17 ، سولينز وآخرون 18 ، هاتون وآخرون 21 ، لاجثا وآخرون 22 ، ياسمين وآخرون 23 ، واجاي وآخرون 24 ، فولك وآخرون 25). وبالإضافة إلى ذلك، اقترحت إجراءات تجزئة أكثر تعقيدا تجمع بين فصل الحجم والكثافة، مما يؤدي إلى زيادة عدد المجمعات (مثل Yonekura et al.26، وVirto et al.27، وMoni et al.15، وPoeplau et al.10) ولكن أيضا مجال أكبر للخطأ، سواء في المنهجية أو فيما يتعلق بحجم التجمع. علاوة على ذلك ، استخدم المؤلفون أيضا صوتنة بكثافة وأوقات مختلفة في محاولة لتفريق الركام و MAOM من الأسطح المعدنية28،29،30.

هنا ، نصف إجراء تجزئة كثافة قوي يحدد ، أولا ، مجموعتين فريدتين من كربون التربة (LF و HF ، أو POM و MAOM) ، ونقدم كل من التقنيات والحجج لزيادة فصل تجمع HF إلى كسور إضافية تختلف بناء على علم المعادن أو درجة الطلاء العضوي أو التجميع. تبين أن الكسور المحددة هنا تختلف من حيث التركيب الكيميائي ، ووقت الدوران ، ودرجة المعالجة الميكروبية ، ودرجة استقرار المعادن18,19.

يفصل الإجراء التالي التربة السائبة إلى مادة عضوية جسيمية (POM) ومواد عضوية مرتبطة بالمعادن (MAOM) عن طريق خلط كمية معروفة من التربة في محلول بكثافة محددة. يتم قياس فعالية الإجراء من خلال الاسترداد المشترك لكتلة التربة والكربون بالنسبة لكتلة عينة التربة الأولية ومحتوى C. يتم تحقيق محلول كثيف عن طريق إذابة polytungstate الصوديوم (SPT) في الماء منزوع الأيونات. يتم خلط التربة في البداية بمحلول SPT الكثيف وتحريكها لخلط وتفريق مجاميع التربة جيدا. ثم يتم استخدام الطرد المركزي لفصل مواد التربة التي تطفو (جزء خفيف) أو تغرق (جزء ثقيل) في المحلول. يتم تكرار خطوات الخلط والعزل والاسترداد والغسيل عدة مرات لضمان فصل الكسور الخفيفة والثقيلة ، إلى جانب إزالة SPT من المادة. أخيرا ، يتم تجفيف أجزاء التربة ووزنها وتحليلها بحثا عن محتوى C. يمكن استخدام المواد المجزأة للإجراءات والتحليلات اللاحقة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. صنع حلول الأسهم من polytungstate الصوديوم (SPT)

تنبيه: SPT مهيج وضار إذا تم ابتلاعه أو استنشاقه. انها سامة للكائنات المائية. تجنب إطلاقه في البيئة.

  1. لصنع 1 لتر من محلول SPT بكثافة 1.85 جم / سم3 ، قم بإذابة 1051 جم من SPT المتبلور في حوالي 600 مل من الماء المقطر منزوع الأيونات (DDI). حرك المحلول حتى يذوب SPT تماما ، لمدة 15 دقيقة تقريبا ، ثم ارفع حجم المحلول إلى 1 لتر باستخدام DDI.
    ملاحظة: قد يؤدي استرداد الكربون باستخدام كثافة محلول <1.85 جم / سم3 إلى نقص تجنيد الكربون الخفيف المشتق من المادة العضوية الجسيمية17,18 ، وبالتالي تحريف كمية الكربون في العينة. وبالتالي، يقترح كثافة محلول SPT تبلغ 1.85 جم / سم3 8,17 من أجل أن تكون أكثر شمولا للكربون المرتبط بالمواد العضوية الجسيمية لعينة تربة نموذجية (أي معظم الرمل والطمي والطين الطيني مع محتوى C <10٪).
  2. لصنع 1 لتر من محلول SPT بكثافة 2.40 جم / سم3 ، قم بإذابة 1803 جم من SPT الصلب في حوالي 500 مل من ماء DDI. حرك المحلول حتى يذوب SPT تماما ، ثم ارفع حجم المحلول إلى 1 لتر باستخدام DDI.
    ملاحظة: إلى جانب الاستخدام المحتمل لتجزئة التربة، غالبا ما يلزم وجود محلول بكثافة أكبر من 1.85 جم/سم 3 لتعديل محلول اللجنة الفرعية لمنع التعذيب في خطوات لاحقة في البروتوكول (انظر الخطوة3-2). إذا بقي محلول إضافي 2.40 جم / سم 3 ، فيمكن تخفيف المحلول إلى 1.85 جم / سم3 بالماء منزوع الأيونات واستخدامه في تجزئة التربة.
  3. قبل الاستخدام في التجزئة ، قم بتحليل SPT لمحتوى C و N. قم بإجراء هذا التحليل باستخدام محلل عناصر صلب أو سائل (مثال على الطرق: ISO 10694: 1995 ، ISO 20236: 2018).
    1. قم بإجراء تخفيف 1: 100 للمحلول من الخطوة 1.1 لأجهزة تحليل العناصر السائلة لتقليل تدهور أجهزة تنقية الغاز والمحفزات الأولية. يعتمد التسامح مع التلوث C و N في محلول SPT على العينة والاستخدامات اللاحقة لأجزاء التربة. عادة ، يعتبر محلول SPT بمحتوى C و N <1 جزء في المليون و <0.1 جزء في المليون ، على التوالي ، مناسبا للاستخدام ، حيث أن الحلول مثل هذه توفر الحد الأدنى من السعة لتغيير برك التربة C و N الأكبر بكثير.

2. انحلال التربة في SPT

  1. أضف 50 جم من التربة المجففة بالهواء والمنخل إلى 2 مم إلى أنبوب طرد مركزي مخروطي من مادة البولي بروبيلين سعة 250 مل. سجل الكتلة إلى أربعة أرقام معنوية على الأقل. لا تستخدم التربة المجففة بالفرن لأن ذلك قد يزيد من الكربون القابل للذوبان بسبب تحلل الخلايا الناجم عن الحرارة31.
    ملاحظة: يمكن استخدام التربة الرطبة الحقلية31 ، ولكن يلزم إجراء مزيد من التعديل في الخطوات اللاحقة للحفاظ على الكثافة المستهدفة لمحلول SPT. يوصى بغربلة مادة التربة إلى 2 مم لإزالة المواد الكبيرة التي قد تشوه نتائج التجزئة ، مثل الصخور والحطام الخشبي.
    1. اضبط كتلة التربة لضمان استعادة كتلة كافية من كل جزء لتجنب حدوث خطأ كبير في القياس الكمي. السبب الأكثر شيوعا لتعديل الكتلة هو انخفاض محتوى POM (على سبيل المثال ، <2٪ من إجمالي كتلة التربة). بالنسبة لمثل هذه التربة ، قم بتوفير كتلة تربة إضافية لتحديد استرداد POM بدقة. بشكل عام ، من المقبول ضبط كتلة التربة لكل عينة فردية ، لأن تغيير كتلة العينة لن يغير نسبة POM إلى MAOM. ومع ذلك ، غالبا ما يكون من المفيد استخدام كتلة ثابتة للمساعدة في موازنة أجهزة الطرد المركزي.
    2. عالج التربة الغنية بالكربونات لإزالة الكربونات غير العضوية قبل التجزئة32.
  2. أضف 50 مل من 1.85 جم / سم3 كثافة SPT إلى أنبوب الطرد المركزي ، واستبدل الغطاء بإحكام. كما هو الحال مع كميات التربة ، اضبط حجم SPT حسب الحاجة. في التربة السطحية الغنية ب POM (مثل العديد من تربة الغابات المعتدلة) ، استخدم نسبة أكبر من التربة إلى SPT (على سبيل المثال ، 30 جم من التربة إلى 60 مل من SPT) لتحقيق الفصل الكافي للمواد الكسرية الخفيفة والثقيلة.
  3. هز الأنبوب بقوة باليد لمدة ~ 60 ثانية لتفتيت الركام غير المستقر للماء. إن الاصطدام القوي لركام التربة بالجدران الجانبية لأنبوب الطرد المركزي أمر مرغوب فيه ، مما يعني أن مجرد دوامة المحلول قد لا يكون كافيا.
  4. قم بتأمين الأنبوب بشاكر منصة. في كثير من الأحيان ، يساعد وضع الأنبوب على جانبه في تشتت التربة عن طريق زيادة قوة الانزلاق للمحلول وتقليل الارتفاع الدائم لطبقة التربة. احرص على إغلاق الأنبوب بإحكام ، ورجه لمدة 2 ساعة عند 40-120 دورة في الدقيقة. قم بإزالة الأنبوب بشكل دوري من شاكر ورجه بقوة باليد لزيادة تحريك المادة المجمعة الأكثر كثافة.

3. إجراء تجزئة التربة الخشنة

  1. قم بإزالة الأنبوب من شاكر. قم بمعادلة كتل أنبوب الطرد المركزي عن طريق إضافة محلول SPT إضافي بعناية للوصول إلى كتلة متسقة عبر مجموعة الأنابيب المراد طردها ، مما يضمن الاهتزاز بقوة باليد لمدة 30 ثانية بعد إضافة محلول SPT. جهاز طرد مركزي لمدة 10 دقائق عند 3000 × جم في جهاز طرد مركزي دلو متأرجح.
  2. قبل شفط العينة ، اختبر كثافة المادة الطافية عن طريق سحب 5 مل من المحلول باستخدام ماصة وفحص الكتلة على الميزان. اضبط كثافة SPT حسب الضرورة لتحقيق الكثافة المطلوبة. اهتز وأجهزة الطرد المركزي مرة أخرى إذا تم إجراء تعديل كثافة المحلول.
  3. قم بتوصيل قارورة سلاح جانبي سعة 1 لتر بمضخة تفريغ. ضع مرشح من الألياف الزجاجية مقاس 110 مم (حجم مسام 0.7 ميكرومتر) في قمع Buchner الخزفي بقطر داخلي 12 سم (ID). أغلق القمع بعناية باستخدام حشية مطاطية مخروطية الشكل على دورق الذراع الجانبي.
    ملاحظة: يجب غسل مرشحات الألياف الزجاجية مسبقا في فرن تجفيف عند 150 درجة مئوية وشطفها باستخدام DDI قبل الاستخدام.
  4. قم بإعداد دورق ذراع جانبي إضافي سعة 1 لتر متصل بالمكنسة الكهربائية. ضع سدادة مطاطية في الجزء العلوي من القارورة بطول ~ 0.5 متر بارز من الأنابيب المرفقة للشفط.
    ملاحظة: قد يكون من المفيد إرفاق طرف بلاستيكي (مثل طرف ماصة سعة 5 مل يمكن التخلص منه ، مع قص النهاية بزاوية) بنهاية أنبوب الشفط لتحسين التحكم في الشفط أثناء الشفط (انظر الشكل 1).
  5. قم بشفط المادة الطافية والمعلقة التي استقرت في الطبقة العليا من المحلول برفق على طول جوانب أنبوب الطرد المركزي ، مع الحرص على عدم لمس طرف أنبوب الشفط بسطح التربة المحبب تحته.
    ملاحظة: إذا تم استنشاق أي مادة بيليه للتربة (جزء ثقيل) عن طريق الخطأ مع المادة المعلقة (الكسر الخفيف) ، فيجب تكرار إجراء التجزئة. إذا لم يلاحظه أحد ، فإن مثل هذا الخطأ سيؤدي إلى كتلة كسر خفيفة أثقل من المتوقع مع محتوى C أقل من المتوقع ، والذي قد يكون واضحا من خلال تحليل بيانات العينات ذات خصائص التربة المماثلة.
    1. لتنظيف أنبوب الشفط بين العينات، قم بغمر طرف الأنبوب بسرعة (على سبيل المثال، غمر لمدة 0.1 ثانية) في ماء DDI، واسحب ~ 5 مل من مياه DDI عبر الخط مع تشغيل مضخة التفريغ. كرر حتى يتم مسح جميع المواد من الأنبوب المفرغ.
    2. قم بإزالة السدادة المطاطية وملحق أنبوب الشفط من دورق الذراع الجانبي ، واسكب المحتويات في الجزء العلوي من قمع Buchner مع تشغيل مضخة التفريغ.
    3. اشطف القارورة بماء DDI ، وقم بالدوران ، واسكب محتويات القارورة في قمع Buchner. كرر حتى تتم إزالة جميع البقايا الملتصقة بجوانب القارورة.
  6. أضف 50 مل من SPT إلى أنبوب الطرد المركزي ، ورج بقوة باليد لمدة 60 ثانية (أو استخدم طاولة شاكر إذا لم تتشتت التربة بسرعة) ، مع التأكد من تفتيت الحبيبات الصلبة في قاع الأنبوب بحيث يتم إعادة امتصاص جميع البقايا. جهاز طرد مركزي لمدة 10 دقائق عند 3000 × جرام.
  7. كرر الخطوة 3.5. صب محتويات القارورة في نفس قمع Buchner كما هو مستخدم في الخطوة 3.5.2.
  8. أضف 50 مل من SPT إلى أنبوب الطرد المركزي ، ورج بقوة باليد ، مع التأكد من تفتيت الحبيبات الصلبة في قاع الأنبوب. جهاز طرد مركزي لمدة 10 دقائق عند 3000 × جرام.
  9. كرر الخطوة 3.5. صب محتويات القارورة في نفس قمع Buchner كما هو مستخدم في الخطوة 3.5.2.

4. فصل (فصول) كثافة إضافية باستخدام SPT عالي الكثافة

ملاحظة: في حالة إجراء أكثر من كسر كثافة إضافي، يجب إجراء عمليات التجزئة اللاحقة من أجل زيادة الكثافة. هنا ، يتم عرض خطوات العزل باستخدام 1.85-2.4 جم / سم 3 و >2.4 جم / سم3 كثافة SPT.

  1. أضف 50 مل من 2.4 جم / سم 3 SPT إلى أنبوب الطرد المركزي الذي يحتوي على مادة التربة >1.85 جم / سم 3 من الخطوة3. رج العبوة بقوة باليد (>60 ثانية) ، مع التأكد من تفتيت الحبيبات الصلبة في قاع الأنبوب. جهاز طرد مركزي لمدة 10 دقائق عند 3000 × جرام.
  2. قبل شفط العينة ، اختبر كثافة المادة الطافية عن طريق سحب 5 مل من المحلول باستخدام ماصة وفحص الكتلة على الميزان. اضبط كثافة SPT حسب الضرورة لتحقيق الكثافة المطلوبة. اهتز وأجهزة الطرد المركزي مرة أخرى إذا تم إجراء تعديل كثافة المحلول.
  3. كرر الخطوة 3 باستخدام محلول 2.4 جم / سم 3 SPT بدلا من محلول 1.85 جم / سم3 SPT المستخدم سابقا. في نهاية الخطوة 3 ، سيكون للمادة المعزولة في قمع Buchner كثافة تتراوح بين 1.85-2.4 جم / سم 3 ، في حين أن المادة المتبقية في أنبوب الطرد المركزي سيكون لها كثافة >2.4 جم / سم3.

5. غسل SPT من عينات الكسور الثقيلة والخفيفة

ملاحظة: يجب تنفيذ خطوات الغسيل التالية لجميع المواد المجزأة. إذا لم يتم شطف محلول SPT بالكامل من المادة ، فستكون أوزان الكسر المقابلة غير دقيقة.

  1. أضف 50 مل من ماء DDI إلى أنبوب الطرد المركزي باستخدام مادة الكسر الثقيل ، ورجها بقوة باليد (60 ثانية) ، مع التأكد من تفتيت الحبيبات الصلبة في قاع الأنبوب. جهاز طرد مركزي لمدة 10 دقائق عند 3000 × جرام.
  2. نضح كما في الخطوة 3.5. في هذه المرحلة ، يجب إزالة جميع مواد الكسر الخفيف. تخلص من النضح الشفاف في دلو النفايات بدلا من إضافته إلى قمع المرشح.
  3. كرر الخطوات 5.1-5.2 مرتين. قبل استنشاق المحلول في الأنبوب أخيرا ، استخدم ماصة نقل لسحب 25 مل من المادة الطافية ، وتحقق من الكثافة بقسمة وزن المحلول على الحجم للتأكد من إزالة SPT بشكل كاف من العينة. إذا كانت الكثافة <1.01 جم / مل ، فانتقل إلى الخطوة التالية. إذا كانت الكثافة 1.01 جم / مل أو أكثر ، فقم بإجراء غسلات مائية إضافية على النحو الوارد أعلاه حتى تصبح الكثافة أقل من 1.01 جم / مل.
  4. لضمان الإزالة الكاملة ل SPT من جزء الضوء ، املأ كل قمع Buchner بماء DDI ، وقم بتصفية المحتويات من خلال مرشحات الألياف الزجاجية. بمجرد ترشيح الماء بالكامل ، كرر هذا مرتين أخريين. إذا كانت التربة غنية بالمواد العضوية ، فقد يستغرق الترشيح ما يصل إلى 48 ساعة.

6. جمع المواد الجزئية الثقيلة

  1. اكشط التربة بعناية من أنبوب الطرد المركزي في دورق أو جرة زجاجية نظيفة تحمل علامة. صب كمية كافية من ماء DDI في الأنبوب لتخفيف التربة المتبقية ؛ استبدل الغطاء واهتز ، ثم أضف الملاط إلى الحاوية الزجاجية. شطف جميع التربة المتبقية من أنبوب الطرد المركزي ، ونقل إلى حاوية زجاجية باستخدام الماء منزوع الأيونات.
  2. ضع الوعاء الزجاجي في فرن تجفيف بين 40-60 درجة مئوية. يجف حتى يتم الوصول إلى وزن جاف ثابت ، عادة لمدة 24-72 ساعة.

7. جمع المواد جزء الضوء

  1. قم بإيقاف تشغيل مضخة التفريغ وإزالة القمع من قارورة الذراع الجانبية. أمسك القمع أفقيا فوق دورق أو برطمان زجاجي مكتوب عليه ، اشطف الجسيمات برفق من الفلتر باستخدام زجاجة غسيل مياه DDI.
    ملاحظة: قد يكون من الضروري كشط الفلتر برفق باستخدام ملعقة وشطف جانبي الفلتر لإزالة جميع البقايا.
  2. ضع الوعاء الزجاجي في فرن التجفيف بين 40-60 درجة مئوية. يجف حتى يتم الوصول إلى وزن جاف ثابت ، عادة لمدة 24-72 ساعة.

8. وزن الكتلة الجافة للمادة المجزأة

  1. اكشط برفق جميع المواد المجففة من كل حاوية في وعاء وزن بلاستيكي. سجل الكتلة حتى المنزلة العشرية الرابعة. ضع العينة في قنينة أو كيس تخزين ملصق.
  2. كرر لجميع العينات المجففة.

9. جمع البيانات وتحليلها لإجمالي الكربون العضوي

  1. اتبع إجراءات التحليل وفقا للأداة التي سيتم استخدامها لتحليل محتوى عنصر C (على سبيل المثال ، ISO 10694: 1995).
    ملاحظة: يعد طحن مادة الكسر المجففة إلى مسحوق ناعم ممارسة شائعة لضمان تجانس العينة المجزأة قبل التحليل العنصري.
  2. تأكد من أن الكتلة التراكمية لجميع الكسور تساوي على الأقل ~ 90٪ من كتلة عينة التربة الأصلية. إذا كانت خسائر المواد >10٪ ، يوصى باستخدام تجزئة نسخ متماثلة إضافية.
  3. تحديد الاسترداد التراكمي للكربون العضوي في التربة (SOC) في الكسور. قد لا ترتبط خسائر SOC تماما بفقدان الكتلة بسبب الخسارة غير المتناسبة للمواد الكسرية وفقدان الكربون العضوي المذاب. ومع ذلك ، يجب أن تكون خسائر الكربون العضوي في التربة أيضا <10٪ من الكربون العضوي العضوي الأولي في عينة التربة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

تعتبر تجزئة كثافة التربة مناسبة بشكل مثالي للتحقيق في كيفية اختلاف التربة في محتواها من الجسيمات والمواد العضوية المرتبطة بالمعادن. يوفر فصل الكربون العضوي في التربة إلى هذين التجمعين المتميزين وسيلة لتوضيح التغيرات في محتوى التربة C وديناميكيات التثبيت التي قد تكون غير واضحة عند ملاحظة الاتجاهات في محتوى التربة C السائب. يوفر الفصل الإضافي للمادة الثقيلة (الكثافة >1.85 جم / سم3) نظرة ثاقبة إضافية للتغيرات والاتجاهات في تثبيت التربة C ولكنه يزيد من تعقيد الإجراء والتفسير المرتبط به ويرتبط بتكاليف إضافية. ومع ذلك ، فإن تجزئة التربة إلى ثلاثة مجمعات كثافة أو أكثر قد توضح الاتجاهات المعقدة والاختلافات الكيميائية في برك التربة C. كما هو الحال مع أي إجراء لتجزئة التربة ، فإن فصل برك التربة C هذه غير كامل ، ويجب التعرف على التأثير المحتمل لمثل هذه الأخطاء وافتراضات الطريقة عند الإبلاغ عن النتائج. وأخيرا، ينبغي أن يكون الممارسون على دراية بتنوع أساليب تجزئة التربة الموجودة ومواطن قوتها وضعفها الفريدة (انظر الاستعراضات والمقارنات المقدمة من von Lützow et al.9 و Poeplau et al.10). العديد من طرق تجزئة التربة هذه ليست حصرية بشكل متبادل ويمكن دمجها بشكل مناسب لتحسين أو التحقق من صحة تحليلات ديناميكيات التربة C.

يعد اختيار عدد كسور الكثافة المراد استخدامها الخطوة الأولى الحاسمة قبل البدء في إجراء التجزئة. بينما يمكن دائما دمج المجمعات المتعددة رياضيا لإنتاج ضوء واحد وكسر ثقيل واحد لمقارنة النتائج بالدراسات الأخرى ، فإن تجزئة الكسر الثقيل إلى أكثر من تجمع واحد يضيف وقتا ونفقات كبيرة. قام Pierson et al.33 بقياس التغير في SOC عبر ثلاثة تجمعات كثافة بعد دراسة معالجة طويلة الأجل للديتريتال. عند الجمع بين البركتين الأثقل (الشكل 2) ، كانت تأثيرات المعالجات المميتة مميزة بين الأجزاء الخفيفة (<1.85 جم / سم 3) والأجزاء الثقيلة (>1.85 جم / سم3) ، خاصة بالنسبة للتأثيرات التي لوحظت من محتوى SOC السائب. من خلال إجراء تجزئة الكثافة الإضافية عند 2.40 جم / سم 3 (الشكل 3) ، يمكن تحديد المزيد من أن تأثيرات المعالجة على MAOM كانت تقتصر في الغالب على المواد عالية الكثافة (>2.4 جم / سم3). أخيرا ، يقدم محتوى C: N المبلغ عنه للتربة السائبة بالنسبة إلى الأحواض المجزأة ذات الكثافة (الشكل 4) دليلا واضحا على فعالية طريقة تجزئة الكثافة لفصل المواد الجسيمية النباتية عن المواد المعدنية ذات المحتوى المنخفض نسبيا C: N.

بعد 50 عاما من التلاعب ب detrital ، استخدم Lajtha et al.22 ستة تجزؤات متسلسلة الكثافة لفحص التأثيرات المميتة عن كثب على استقرار SOC وزعزعة الاستقرار (الشكل 5). من خلال عزل سبعة حمامات SOC ، تمكن المؤلفون من ملاحظة فارق بسيط أكبر في استجابة POM و MAOM بعد إضافة القمامة وعلاجات الإزالة. كانت المسابح ذات الكثافة <2.20 جم / سم3 أكثر استجابة للمعالجة ، بالاتفاق مع التوقع طويل الأمد لوجود علاقة إيجابية بين مدخلات القمامة وتراكم الكربون العضوي في التربة. ومع ذلك ، كانت استجابة تجمعات SOC ذات الكثافة >2.20 جم / سم3 أقل وضوحا ، وتحديدا بالنسبة لمعالجة إزالة القمامة ، تم تحديد علاقة سلبية معاكسة بين المدخلات و SOC (أي ، تم تقليل المدخلات ، ولكن محتوى SOC للكسر زاد). من خلال إجراء تحليلات لاحقة ل 14C ، تم التحقق من مساهمات وخسائر مدخلات C الأحدث لكل مجموعة ، مما يوفر نظرة ميكانيكية على التحكم في التدمير لمسارات التكوين وزعزعة الاستقرار ل MAOM.

يوفر الجمع بين التحليل النظيري وتجزئة الكثافة المتسلسلة سبلا إضافية للتحقيق في تعقيدات ديناميات SOM. ومع ذلك ، يجب على الباحثين الحرص على النظر في تأثير علم المعادن على نتائج تجزئة الكثافة. تسبب البنية المعدنية الفريدة والتفاعل اختلافات متأصلة في توزيعات كثافة الجسيمات بين المعادن. على سبيل المثال ، فحص Sollins et al.18 الخصائص النظيرية والكيميائية لبرك الكثافة المتعددة في أربع تربة حرجية ذات مواد وأشكال أصلية متباينة (الشكل 6). ساهم علم المعادن المتناقض بين التربة الأربعة بشكل كبير في الاختلافات الملحوظة في 13درجة مئوية و 14 درجة مئوية و 15نيوتن لكل جزء كثافة. بدون النظر في علم المعادن ، قد يساء تفسير هذه النتائج فيما يتعلق بتكوين SOC وديناميكيات الاستقرار. أخيرا ، بالعودة إلى التطبيق العملي لإجراء عمليات فصل كثافة إضافية ، حصل Sollins et al.18 على القليل من المعلومات الإضافية من تحليل ستة تجمعات كثافة مقابل ثلاثة فقط (الشكل 6).

حدد Helbling et al.31 تأثير الموسمية على محتوى الجزء الخفيف للتربة الحرجية ، وكذلك تأثير معالجة تجفيف التربة على فقدان C إلى البركة القابلة للذوبان (الشكل 7). وبرزت نتيجتان هامتان من هذا العمل. أولا ، في حين أن تجفيف التربة في الفرن أدى إلى خسارة C عضوية مذابة أكبر بكثير في محلول SPT ، كانت كمية C المفقودة ضئيلة. ثانيا ، لا يبدو أن هناك أي موسمية لتجمع الجزء الخفيف C ، مما يعني أن توقيت جمع عينات التربة لم يؤثر على نتائج التجزئة. ومع ذلك ، من المتوقع أن تختلف النتائج عبر التربة والبيئات نظرا للاختلافات في مخزونات POM ومعدلات التحلل.

Figure 1
الشكل 1: جهاز شفط الكسر الخفيف. رسم تخطيطي لجهاز الفراغ لطموح جزء الضوء. * يمكن استخدام Parafilm لتأمين وختم الوصلة بين طرف الماصة والأنبوب المفرغ. ** قد يكون قطع طرف الماصة بزاوية مفيدا لزيادة حجم فتحة الطرف ، وكذلك لتطبيق شفط وثيق على الجدران الجانبية لأنبوب الطرد المركزي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2: مقارنة محتوى الكربون للتربة السائبة والخفيفة والثقيلة. تم جمع التربة من قطع أراضي معالجة المدخلات والإزالة (DIRT) في غابة H.J. Andrews التجريبية بعد 20 عاما من المعالجة (n = 3). تمت زيادة C المرتبطة بالمعادن لعلاجات إزالة الجذر (NR ، NI) بشكل كبير ، على عكس التأثيرات الملحوظة على محتوى C السائب. علاوة على ذلك ، أظهرت النتائج المجزأة أن الزيادة في الجزء C من معالجة الخشب المزدوج (DW) كانت مشتقة من زيادة في الجزء الخفيف C. تمثل أشرطة الخطأ الخطأ القياسي. تم تعديل هذا الرقم من بيرسون وآخرين 33. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 3
الشكل 3: مقارنة بين برك الكسور المتوسطة والثقيلة. تم جمع التربة من قطع أراضي معالجة المدخلات والإزالة (DIRT) في غابة H.J. Andrews التجريبية بعد 20 عاما من المعالجة (n = 3). توضح النتائج النتائج من عزل جزء وسيط (1.85-2.40 جم / سم 3) وجزء أثقل (>2.40 جم / سم3). أظهر محتوى الجزء المتوسط C تباينا أكبر ، ولم تكن هناك آثار علاجية كبيرة. تمثل أشرطة الخطأ الخطأ القياسي. تم تعديل هذا الرقم من بيرسون وآخرين 33. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 4
الشكل 4: نسب الكربون إلى النيتروجين للتربة السائبة والخفيفة والثقيلة. تم جمع التربة من قطع أراضي معالجة المدخلات والإزالة (DIRT) في غابة H.J. Andrews التجريبية بعد 20 عاما من المعالجة (n = 3). بالنظر إلى ارتفاع محتوى C: N للأنسجة النباتية بالنسبة لمعادن التربة ، فإن الاختلاف الملحوظ في محتوى C: N بين الكسور الخفيفة والثقيلة يوضح بوضوح قدرة تجزئة كثافة التربة على فصل الجسيمات العضوية عن التربة السائبة. تمثل أشرطة الخطأ الخطأ القياسي. تم تعديل هذا الرقم من بيرسون وآخرين 33. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 5
الشكل 5: تجزئة الكثافة المتسلسلة للتربة بعد 50 عاما من التلاعب المدمر (ن = 4). قدم فصل التربة إلى سبعة أجزاء كثافة نظرة ثاقبة لطبيعة تحميل C على معادن التربة. أدت معالجة القمامة المزدوجة ، التي زادت من التربة C ، إلى تحميل C للمواد المعدنية في جزء 2.00-2.40 جم / سم3 ، كما يتضح من التغيير في تركيزات الكسر C بالنسبة إلى السيطرة. كانت خسائر التربة C من المعالجة بدون فضلات أكبر في كسور التربة بكثافة تتراوح بين 1.85-2.20 جم / سم3. تمثل أشرطة الخطأ الخطأ القياسي. تم تعديل هذا الرقم من Lajtha et al.22. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 6
الشكل 6: آثار علم المعادن على برك كثافة التربة. تم جمع التربة ذات التشكل الفريد من أربعة مواقع حرجية. يوضح التحليل النظيري كيف يمكن لعلم معادن التربة أن يؤثر على الخواص البيوجيوكيميائية عبر مجمعات كثافة التربة. وعلاوة على ذلك، وفي هذه الحالة، استوعب تحليل ثلاثة مجمعات كثافة، مقابل ستة مجمعات أو أكثر، إلى حد كبير الاتجاهات داخل مختلف التوقيعات النظيرية وفيما بينها. تم تعديل هذا الرقم من Sollins et al.18. يتم عرض البيانات والرسوم البيانية الأصلية في العمود مع أكثر من ستة تجمعات ؛ تم إعادة حساب البيانات وعرضها لإظهار النتائج لثلاثة تجمعات فقط. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 7
الشكل 7: آثار جمع العينات وتحضيرها على تجزئة كثافة التربة. وجد Helbling et al.31 أن التربة المجففة بالفرن غالبا ما تنتج كمية أكبر من الكربون العضوي المذاب مقارنة بالتربة المجففة بالهواء والرطبة في الحقول والمغسولة. عبر مواسم جمع العينات ، لم تكن نسبة كتلة الكسور الخفيفة إلى الثقيلة مختلفة بشكل كبير. تم تعديل هذا الرقم من Helbling et al.31. تمثل أشرطة الخطأ الخطأ القياسي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

في جميع أنحاء بروتوكول تجزئة كثافة التربة ، هناك بعض الإجراءات المحددة التي يجب مراقبتها عن كثب للمساعدة في تقليل الخطأ في فصل وتحليل كسور التربة. تتمثل إحدى الخطوات الحاسمة في إجراء تجزئة كثافة التربة في التحقق بشكل متكرر من كثافة محلول SPT. غالبا ما تؤدي الرطوبة في عينة التربة إلى تخفيف محلول SPT ، وبالتالي تقليل كثافة SPT. لذلك ، يجب على الباحث دائما التأكد من تحقيق الفصل الكامل للحلول الخفيفة والثقيلة بعد الطرد المركزي. إذا لم تنفصل الكسور بشكل كاف ، فيجب إضافة المزيد من محلول SPT ، أو تقليل كتلة التربة. تنفصل التربة الرملية بسرعة ، في حين أن التربة ذات النسيج الناعم ، مثل Oxisols على وجه الخصوص ، قد تظل غائمة لفترة طويلة أثناء الطرد المركزي بسبب الحمل العالي المعلق للجزيئات الدقيقة. عندما تظهر المحاليل غائمة بعد الطرد المركزي ، يجب زيادة وقت الطرد المركزي أو السرعة. كبديل ، يمكن تحديد تقدير لفقدان C من الرواسب المعلقة من خلال تحليل محتوى C من المحلول المستنشق.

يعتمد تحديد جودة polytungstate الصوديوم (SPT) للشراء على التحليلات التي سيتم إجراؤها بعد التجزئة. وجد Kramer et al.34 أن SPT التجاري يمكن تخصيبه في الأمونيوم العالي 15 N ، وبالتالي ، قد يغير بشكل كبير توقيع 15N لكسور التربة. ومن ثم، ينبغي استخدام مادة SPT عالية النقاء (مثل SPT-0) لضمان الحد الأدنى من التلوث C و N للدراسات التي ستقاس فيها البصمات النظيرية للتربة. غير أن اللجنة الفرعية لمنع التعذيب ذات درجة النقاء التي تقل بمقدار خطوة واحدة (مثل SPT-1) كثيرا ما يكون لديها حد أدنى من التخصيب N وC وتكون أقل تكلفة، مما يوفر خيارا أكثر اقتصادا عندما لا تقاس النظائر.

لتجنب حدوث خطأ كبير ، يجب توخي الحذر لإزالة كل جزء الضوء من المحلول ، والذي غالبا ما يلتصق بالجدران الجانبية لأنابيب الطرد المركزي أثناء الشفط وإلى القمع أثناء خطوات الترشيح اللاحقة. سيؤدي الجزء الخفيف الزائد المتبقي في مادة الكسر الثقيل إلى تقدير منخفض للجزء الخفيف C مع المبالغة في تقدير محتوى C للجزء الثقيل في نفس الوقت. قد يساعد الفحص الدقيق للبيانات النهائية في تحديد مثل هذه الأخطاء عند تجزئة سلسلة من العينات ذات خصائص التربة المماثلة.

عادة ما يكون فقدان الكربون العضوي المذاب (DOC) في المحلول صغيرا ، وعادة ما يكون <5٪ من إجمالي التربة C ، ولا يمكن تجنبه (الشكل 7)31. ومع ذلك ، يمكن أن تكون خسائر DOC أكبر بكثير عند تجزئة التربة ذات برك C عالية الذوبان ، مثل تلك الموجودة في بعض البيئات الصحراوية35. في مثل هذه الحالات ، يجب أيضا تحديد كمية تجمع DOC القابل للاستخراج من المياه. عادة ما تكون الأخطاء الناجمة عن فقدان كتلة التربة ، وخاصة الجزء الخفيف ، أكبر بكثير من الأخطاء الناجمة عن فقدان DOC.

يعد امتزاز polytungstate لعينة التربة احتمالا كيميائيا ، ومدى حدوث مثل هذه التبادلات الكيميائية غير معروف حاليا. علاوة على ذلك ، من المتوقع أن يختلف تقارب الارتباط ل polytungstate عبر التربة ذات الخصائص الكيميائية المختلفة. في الوقت الحالي ، يوفر الارتباط بين فقدان كتلة التربة وفقدان الكربون العضوي في التربة في نهاية الإجراء شكلا مباشرا وممكنا من الناحية اللوجستية لضمان أن أي مكاسب جماعية من تبادل polytungstate لا تكاد تذكر بالنسبة للقياس الكمي ل SOC في المادة المجزأة. إذا كانت الكتلة التراكمية لجزء التربة أكبر من كتلة العينة الأولية ، أو إذا كانت خسائر الكتلة أقل بشكل صارخ من خسائر SOC ، فقد تمتص العينات polytungstate. يجب أولا تنفيذ خطوات غسيل إضافية لمحاولة حل مثل هذه المشكلة. إذا استمر امتصاص polytungstate في المادة المجزأة ، فقد تكون هناك حاجة إلى تحليل عنصري إضافي للتحقق من زيادة محتوى التنغستن للمادة المجزأة وتصحيحها. والجدير بالذكر أن مثل هذه المشكلات التي تنطوي على عدم القدرة على شطف polytungstate من مادة التربة غير شائعة.

على الرغم من أن تجزئة الكثافة تفصل بشكل مثالي الجسيمات الحرة (POM) عن المادة العضوية المرتبطة بالمعادن (MAOM) ، فإن وجود مجاميع مستقرة للماء يعقد تفسير نتائج تجزئة الكثافة. قد يشكل الطمي والطين ارتباطات قوية ويرتبط بالمواد العضوية ، ويمكن أن تشكل الكائنات الحية في التربة والجذور والخيوط الفطرية مجاميع كبيرة تساعد على حماية المركبات العضوية من التحلل الميكروبي. هذه المادة العضوية المحمية بالمجموع ، والتي يشار إليها غالبا باسم المادة العضوية المسدودة ، ليست MAOM ولكن سيتم استردادها في الجزء الثقيل (أي >1.85 جم / سم3). من المرجح أن يكون إدراج POM المغلق أكثر تأثيرا على نتائج وتفسير كسور الكثافة المتوسطة. في حين أن الكسور بكثافة تزيد عن ~ 2.40 جم / سم 3 من المحتمل أن تحتوي على معادن عضوية فقيرة خالية من المواد العضوية المغلقة والمواد ذات الكثافة الأقل من 1.85 جم / سم3 يفترض أن تكون مادة عضوية خالية من المعادن ، يمكن أن تكون الكسور الوسيطة مزيجا من المعادن الثقيلة الغنية بالعضوية ، والمجاميع ، والمعادن الخفيفة الفقيرة عضويا. حتى الآن ، لم يظهر إجماع مشترك أو طريقة منتشرة لتفسير الاختلافات في C الموجودة في مادة الكسر الوسيط. عند الإبلاغ عن مثل هذه المعلومات ، نقترح الاعتراف بالتأثير المحتمل للمواد العضوية المسدودة وعلم المعادن على النتائج.

تم استخدام تقنيات كيميائية وفيزيائية مختلفة لتفريق الركام لتسهيل إطلاق POM المغلق ، حيث تمثل الطاقة فوق الصوتية الطريقة الأكثر استخداما. لسوء الحظ ، لا يوجد مستوى طاقة صوتنة واحد يمكن أن يسبب تشتتا كاملا عبر جميع الركام ، حيث تختلف قوة الركام وآليات الربط بشكل كبير على كل من أنواع التربة وفئات حجمالركام 36. وجد Amelung and Zech36 أن المجاميع الدقيقة (20-250 ميكرومتر) تتطلب طاقة فوق صوتية أكثر لتشتيت من المجاميع الكبيرة الأكبر حجما ، لكنهما وجدا أيضا أن المواد العضوية الجسيمية قد تعطلت عند هذه الطاقات الأعلى. علاوة على ذلك ، تستمر الصوتنة المتسلسلة ذات الكثافة المتزايدة في إنتاج مادة عضوية محجوبةخالية 37 ، مما يشير مرة أخرى إلى أنه لا توجد مجموعة واحدة من المواد العضوية المغلقة وأنه عند مستويات صوتنة أعلى ، يمكن أن يكون الكثير من مادة الكسر الخفيف المنفصل قطعة أثرية غروية. أظهر Kaiser و Guggenberger30 أيضا إمكانية الصوتنة لتغيير توزيع الكثافة لمخاليط المادة العضوية ذات الكسر الخفيف مع معادن مختلفة. في حين أن دمج تقنيات التشتت بالموجات فوق الصوتية أثناء أو بعد تجزئة كثافة التربة يوفر فرصا فريدة لتفريق وعزل برك SOM ، فإن هذه الدراسات تضمن النظر في فعالية التشتت وتدمير POM والهياكل المعدنية.

الطريقة البديلة الأكثر انتشارا لفصل التربة C إلى برك قابلة للقياس بسهولة هي تجزئة الحجم. تجزئة الحجم سريعة ومنخفضة التكلفة بالنسبة لتجزئة الكثافة وقد توفر رؤى مماثلة في ديناميكيات SOM نظرا للعلاقة بين محتوى الطين و MAOM. في الواقع ، لم يجد Poeplau et al.10 فرقا كبيرا في معدلات دوران SOM لبرك C مفصولة بالحجم وتجزئة الكثافة عبر ثلاث أنواع مختلفة من التربة. ومع ذلك ، فإن المادة العضوية الجسيمية (POM) ذات الحجم المكافئ أو الأصغر من الطين أمر شائع ، مما يعني أن طرق تجزئة الحجم وحدها غير قادرة على فصل POM بدقة عن MAOM. وبالتالي ، يمكن أن يؤدي دمج POM في الكسور ذات الحجم الدقيق إلى أخطاء في التحليل الكيميائي الأولي والعضوي في بعض أنواع التربة التي تحتوي على كمية كبيرة من مادة الجسيمات الدقيقة15. إذا كانت هناك حاجة لتحديد محتوى C من المواد المعدنية بحجم جسيم معين (على سبيل المثال ، الرمل والطمي والطين) ، يمكن الجمع بين الطريقتين عن طريق إجراء تجزئة كثافة واحدة تليها تجزئة حجم مادة الكسر الثقيل.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

Acknowledgments

لهذا العمل ، تم تقديم الدعم من قبل منح مؤسسة العلوم الوطنية DEB-1257032 إلى KL و DEB-1440409 إلى برنامج HJ Andrews للبحوث البيئية طويلة الأجل.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Aspirator/vacuum tubing 1/4 x 1/2" Kimble 10847-216
Conical polypropylene centrifuge tube, 250mL Thermo Scientific 376814
Conical rubber gasket for filtering flasks DWK Life Sciences 292020001
Double flat ended stainless steel spatula/scraper Fisher Scientific 14-373-25A
Glass fiber filter, grade GF/F, 110 mm Whatman WHA1825110
Glass mason jar, 16 oz Ball Corporation 500 ml beaker or glass weigh dish are also suitable 
Polypropylene conical bottle adapter, 250mL Beckman Coulter 369385
Porcelain buchner funnel, 90mm FisherBrand FB966F
Reciprocating shaker, 2-speed Eberbach E6000.00
Sidearm flask, 1000mL VWR 89000-386
Sodium Polytungstate, crystalline Sometu SPT-0 or SPT-1, see Discussion for SPT choice Shipping via FedEx from Germany
Swinging bucket centrifuge  Beckman Coulter 3362020

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Jackson, R. B., et al. The ecology of soil carbon: Pools, vulnerabilities, and biotic and abiotic controls. Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics. 48, 419-445 (2017).
  2. Crowther, T. W., et al. Quantifying global soil carbon losses in response to warming. Nature. 540 (7631), 104-108 (2016).
  3. Deng, L., Zhu, G., Tang, Z., Shangguan, Z. Global patterns of the effects of land-use changes on soil carbon stocks. Global Ecology and Conservation. 5, 127-138 (2016).
  4. Griscom, B. W., et al. Natural climate solutions. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 114 (44), 11645-11650 (2017).
  5. Fargione, J. E., et al. Natural climate solutions for the United States. Science Advances. 4 (11), (2018).
  6. Kögel-Knabner, I., Rumpel, C. Advances in molecular approaches for understanding soil organic matter composition, origin, and turnover: A historical overview. Advances in Agronomy. 149, 1-48 (2018).
  7. Schmidt, M. W. I., et al. Persistence of soil organic matter as an ecosystem property. Nature. 478 (7367), 49-56 (2011).
  8. Billings, S. A., et al. Soil organic carbon is not just for soil scientists: Measurement recommendations for diverse practitioners. Ecological Applications. 31 (3), 02290 (2021).
  9. von Lützow, M., et al. SOM fractionation methods: Relevance to functional pools and to stabilization mechanisms. Soil Biology and Biochemistry. 39 (9), 2183-2207 (2007).
  10. Poeplau, C., et al. Isolating organic carbon fractions with varying turnover rates in temperate agricultural soils - A comprehensive method comparison. Soil Biology and Biochemistry. 125, 10-26 (2018).
  11. Heckman, K., Lawrence, C. R., Harden, J. W. A sequential selective dissolution method to quantify storage and stability of organic carbon associated with Al and Fe hydroxide phases. Geoderma. 312, 24-35 (2018).
  12. Frostegård, Å, Tunlid, A., Bååth, E. Microbial biomass measured as total lipid phosphate in soils of different organic content. Journal of Microbiological Methods. 14 (3), 151-163 (1991).
  13. Plante, A. F., Conant, R. T., Paul, E. A., Paustian, K., Six, J. Acid hydrolysis of easily dispersed and microaggregate-derived silt- and clay-sized fractions to isolate resistant soil organic matter. European Journal of Soil Science. 57 (4), 456-467 (2006).
  14. Eusterhues, K., Rumpel, C., Kögel-Knabner, I. Stabilization of soil organic matter isolated via oxidative degradation. Organic Geochemistry. 36 (11), 1567-1575 (2005).
  15. Moni, C., Derrien, D., Hatton, P. -J., Zeller, B., Kleber, M. Density fractions versus size separates: does physical fractionation isolate functional soil compartments. Biogeosciences. 9 (12), 5181-5197 (2012).
  16. Lavallee, J. M., Soong, J. L., Cotrufo, M. F. Conceptualizing soil organic matter into particulate and mineral-associated forms to address global change in the 21st century. Global Change Biology. 26 (1), 261-273 (2020).
  17. Sollins, P., et al. Organic C and N stabilization in a forest soil: Evidence from sequential density fractionation. Soil Biology and Biochemistry. 38 (11), 3313-3324 (2006).
  18. Sollins, P., et al. Sequential density fractionation across soils of contrasting mineralogy: evidence for both microbial- and mineral-controlled soil organic matter stabilization. Biogeochemistry. 96 (1-3), 209-231 (2009).
  19. Crow, S. E., Swanston, C. W., Lajtha, K., Brooks, J. R., Keirstead, H. Density fractionation of forest soils: methodological questions and interpretation of incubation results and turnover time in an ecosystem context. Biogeochemistry. 85 (1), 69-90 (2007).
  20. Cotrufo, M. F., Ranalli, M. G., Haddix, M. L., Six, J., Lugato, E. Soil carbon storage informed by particulate and mineral-associated organic matter. Nature Geoscience. 12 (12), 989-994 (2019).
  21. Hatton, P. -J., et al. Transfer of litter-derived N to soil mineral-organic associations: Evidence from decadal 15N tracer experiments. Organic Geochemistry. 42 (12), 1489-1501 (2012).
  22. Lajtha, K., et al. Changes to particulate versus mineral-associated soil carbon after 50 years of litter manipulation in forest and prairie experimental ecosystems. Biogeochemistry. 119 (1-3), 341-360 (2014).
  23. Yeasmin, S., Singh, B., Johnston, C. T., Sparks, D. L. Organic carbon characteristics in density fractions of soils with contrasting mineralogies. Geochimica et Cosmochimica Acta. 218, 215-236 (2017).
  24. Wagai, R., Kajiura, M., Asano, M., Hiradate, S. Nature of soil organo-mineral assemblage examined by sequential density fractionation with and without sonication: Is allophanic soil different. Geoderma. 241-242, 295-305 (2015).
  25. Volk, M., Bassin, S., Lehmann, M. F., Johnson, M. G., Andersen, C. P. 13C isotopic signature and C concentration of soil density fractions illustrate reduced C allocation to subalpine grassland soil under high atmospheric N deposition. Soil Biology and Biochemistry. 125, 178-184 (2018).
  26. Yonekura, Y., et al. Soil organic matter dynamics in density and particle-size fractions following destruction of tropical rainforest and the subsequent establishment of Imperata grassland in Indonesian Borneo using stable carbon isotopes. Plant and Soil. 372 (1-2), 683-699 (2013).
  27. Virto, I., Moni, C., Swanston, C., Chenu, C. Turnover of intra- and extra-aggregate organic matter at the silt-size scale. Geoderma. 156 (1-2), 1-10 (2010).
  28. Poeplau, C., et al. Reproducibility of a soil organic carbon fractionation method to derive RothC carbon pools. European Journal of Soil Science. 64 (6), 735-746 (2013).
  29. Cerli, C., Celi, L., Kalbitz, K., Guggenberger, G., Kaiser, K. Separation of light and heavy organic matter fractions in soil - Testing for proper density cut-off and dispersion level. Geoderma. 170, 403-416 (2012).
  30. Kaiser, K., Guggenberger, G. Distribution of hydrous aluminium and iron over density fractions depends on organic matter load and ultrasonic dispersion. Geoderma. 140 (1-2), 140-146 (2007).
  31. Helbling, E., Pierson, D., Lajtha, K. Sources of soil carbon loss during soil density fractionation: Laboratory loss or seasonally variable soluble pools. Geoderma. 382, 114776 (2021).
  32. Nelson, D. W., Sommers, L. E. Total carbon, organic carbon, and organic matter. Methods of Soil Analysis: Part 3 Chemical Methods. Sparks, D. L., Page, A. L., Helmke, P. A., Loeppert, R. H. , Soil Science Society of America, Inc., American Society of Agronomy, Inc. 539-579 (2015).
  33. Pierson, D., et al. Mineral stabilization of soil carbon is suppressed by live roots, outweighing influences from litter quality or quantity. Biogeochemistry. 154 (3), 433-449 (2021).
  34. Kramer, M. G., Lajtha, K., Thomas, G., Sollins, P. Contamination effects on soil density fractions from high N or C content sodium polytungstate. Biogeochemistry. 92 (1-2), 177-181 (2009).
  35. Throop, H. L., Lajtha, K., Kramer, M. Density fractionation and 13C reveal changes in soil carbon following woody encroachment in a desert ecosystem. Biogeochemistry. 112 (1-3), 409-422 (2013).
  36. Amelung, W., Zech, W. Minimisation of organic matter disruption during particle-size fractionation of grassland epipedons. Geoderma. 92 (1-2), 73-85 (1999).
  37. Kaiser, M., Asefaw Berhe, A. How does sonication affect the mineral and organic constituents of soil aggregates?-A review. Journal of Plant Nutrition and Soil Science. 177 (4), 479-495 (2014).

Tags

هذا الشهر في JoVE ، العدد 190 ، تجزئة الكثافة ، الكربون العضوي في التربة ، المواد العضوية في التربة ، وقت الدوران
استخدام تجزئة كثافة التربة لفصل برك الكربون المتميزة في التربة
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Pierson, D., Lajtha, K.,… More

Pierson, D., Lajtha, K., Peter-Contesse, H., Mayedo, A. Utilizing Soil Density Fractionation to Separate Distinct Soil Carbon Pools. J. Vis. Exp. (190), e64759, doi:10.3791/64759 (2022).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter