Summary
Toprak yoğunluğu fraksiyonasyonu, toprak organik maddesini farklı stabilizasyon mekanizmalarına, kimyasallara ve devir sürelerine sahip ayrı havuzlara ayırır. Belirli yoğunluklara sahip sodyum politungstat çözeltileri, serbest partikül organik maddenin ve mineralle ilişkili organik maddenin ayrılmasına izin vererek, toprağın yönetime ve iklim değişikliğine tepkisini tanımlamak için uygun organik madde fraksiyonları ile sonuçlanır.
Abstract
Toprak organik maddesi (SOM), serbest, kısmen bozulmuş bitki bileşenlerinden, toprak agregalarında tutulan daha mikrobiyal olarak değiştirilmiş bileşiklere, reaktif toprak mineralleri ile güçlü ilişkilere sahip yüksek oranda işlenmiş mikrobiyal yan ürünlere kadar uzanan farklı bileşiklerin karmaşık bir karışımıdır. Toprak bilimcileri, toprağı kolayca ölçülebilen ve toprak karbon (C) modellemesi için yararlı olan fraksiyonlara ayırmanın yollarını bulmakta zorlandılar. Yoğunluğa dayalı fraksiyonlama toprağı giderek daha fazla kullanılmaktadır ve SOM ile farklı mineraller arasındaki ilişki derecesine bağlı olarak C havuzlarının gerçekleştirilmesi ve verim verilmesi kolaydır; Bu nedenle, toprak yoğunluğu fraksiyonasyonu SOM'u karakterize etmeye ve SOM stabilizasyon mekanizmalarını tanımlamaya yardımcı olabilir. Bununla birlikte, bildirilen toprak yoğunluğu fraksiyonasyon protokolleri önemli ölçüde değişmekte ve farklı çalışmalardan ve ekosistemlerden elde edilen sonuçların karşılaştırılmasını zorlaştırmaktadır. Burada, partikül ve mineral ile ilişkili organik maddeyi ayıran sağlam bir yoğunluk fraksiyonasyon prosedürünü açıklıyoruz ve toprağı iki, üç veya daha fazla yoğunluk fraksiyonuna ayırmanın yararlarını ve dezavantajlarını açıklıyoruz. Bu tür fraksiyonlar genellikle kimyasal ve mineral bileşimlerinde, devir sürelerinde ve mikrobiyal işlem derecelerinde ve ayrıca mineral stabilizasyon derecelerinde farklılık gösterir.
Introduction
Toprak, en büyük karasal karbon (C) deposudur, en üstteki 1 m'de 1.500 Pg'den fazla C içerir ve bu miktarı küresel olarak daha derin seviyelerde neredeyse iki katına çıkarır, bu nedenle toprağın bitki biyokütlesinden daha fazla C içerdiği anlamına gelir ve atmosferbirleştirilir 1. Toprak organik maddesi (SOM) su ve toprak besin maddelerini korur ve bitki verimliliği ve karasal ekosistemin işlevi için gereklidir. Toprak sağlığı ve tarımsal verimlilik için yeterli SOM stoklarının öneminin küresel olarak kabul edilmesine rağmen, sürdürülemez orman ve tarımsal yönetim, peyzaj değişikliği ve iklim ısınması nedeniyle toprak C stokları önemli ölçüde tükenmiştir 2,3. Toprak sağlığının geri kazanılmasına ve toprak C tutulmasının doğal iklim çözümlerinde kilit bir oyuncu olarak kullanılmasına olan ilginin artması, çeşitli ortamlarda toprak C tutulmasını ve stabilizasyonunu kontrol eden faktörleri anlama çabalarına yol açmıştır 4,5.
Toprak organik maddesi (SOM), serbest, kısmen bozulmuş bitki bileşenlerinden, toprak agregalarında tutulan daha mikrobiyal olarak değiştirilmiş bileşiklere (burada ayrı birimlerin veya öğelerin kombinasyonu ile oluşturulan bir malzeme olarak tanımlanmıştır) reaktif toprak mineralleri ile güçlü ilişkilere sahip yüksek oranda işlenmiş mikrobiyal yan ürünlere kadar uzanan farklı bileşiklerin karmaşık bir karışımıdır6 . SOM'daki bireysel bileşiklerin tam paketini tanımlamanın pratik olmadığı durumlarda, araştırmacılar genellikle fiziksel gerçeklikler olarak var olan ve ciro oranlarına, genel kimyasal bileşime ve toprağın mineral bileşenleri ile stabilizasyon derecesine göre değişen daha az sayıda fonksiyonel C havuzunu tanımlamaya odaklanırlar1, 7. Havuzların eleştirel olarak yorumlanabilmesi ve modellenebilmesi için, ayrılan havuzların sayıca az olması, sadece teorik olmaktan ziyade doğrudan ölçülebilir olması, kompozisyon ve reaktivitede açık farklılıklar sergilemesi esastır8.
C toprağının anlamlı havuzlarını izole etmek için hem kimyasal hem de fiziksel birçok farklı teknik kullanılmıştır ve bunlar von Lützow ve ark.9 ve Poeplau ve ark.10 tarafından iyi özetlenmiştir. Kimyasal ekstraksiyon teknikleri, zayıf kristalin veya kristalin Fe ve Al11 ile ilişkili C gibi spesifik havuzları izole etmeyi amaçlamaktadır. Organik çözücüler, lipitler12 gibi spesifik bileşikleri çıkarmak için kullanılmıştır ve SOM'un hidrolizi veya oksidasyonu, C13,14'lük kararsız bir havuzun bir ölçüsü olarak kullanılmıştır. Bununla birlikte, bu ekstraksiyon yöntemlerinden hiçbiri, tüm C havuzlarını ölçülebilir veya modellenebilir fraksiyonlara ayırmaz. Toprağın fiziksel fraksiyonasyonu, tüm toprak C'yi büyüklüğüne göre havuzlara ayırır ve bitki kalıntılarının ayrışmasının parçalanmaya ve giderek daha küçük parçacıklara neden olduğunu varsayar. Tek başına büyüklük, serbest bitki kalıntılarını mineralle ilişkili SOM15'ten ayıramasa da, bu iki havuzun ölçülmesi, oluşum ve devir16'daki ortak mekansal, fiziksel ve biyojeokimyasal farklılıklar nedeniyle toprak C stabilizasyonunun anlaşılması için kritik öneme sahiptir.
C toprağının yoğunluğa dayalı fraksiyonasyonu giderek daha fazla kullanılmaktadır ve farklı minerallerle ilişki derecesine bağlı olarak farklı C havuzlarını gerçekleştirmek ve tanımlamak kolaydır17,18,19; Bu nedenle, toprak yoğunluğu fraksiyonasyonu, farklı toprak C stabilizasyon mekanizmalarının aydınlatılmasına yardımcı olabilir. Toprağın parçalanması için birincil gereklilik, organik ve mineral parçacıkları tamamen dağıtma yeteneğidir. Bir kez dağıldıktan sonra, nispeten mineral içermeyen bozulmuş organik madde, ~ 1.85 g / cm3'ten daha hafif çözeltilerde yüzerken, mineraller tipik olarak 2-4.5 g / cm3 aralığında düşer, ancak demir oksitler 5.3 g /cm3'e kadar yoğunluklara sahip olabilir. Hafif veya serbest partikül fraksiyonu, devir teslim süresinin daha kısa olma eğilimindedir (odun kömürü ile önemli bir kirlenme olmadığı sürece) ve ekime ve diğer rahatsızlıklara karşı oldukça duyarlı olduğu gösterilmiştir. Ağır (>1.85 g /cm3) veya mineralle ilişkili fraksiyon, organik moleküller reaktif mineral yüzeylere bağlandığında kazanılan mikrobiyal aracılı ayrışmaya karşı direnç nedeniyle genellikle daha uzun bir devir süresine sahiptir. Bununla birlikte, ağır fraksiyon doygunluğa ulaşabilir (yani, mineral kompleksasyon kapasitesi için bir üst sınıra ulaşabilir), hafif fraksiyon ise teorik olarak neredeyse süresiz olarak birikebilir. Bu nedenle, organik maddenin mineralle ilişkili havuzlardaki partikül organik madde havuzlarındaki fiziksel dağılımını anlamak, verimli karbon tutumu için hangi ekosistemlerin yönetilebileceğini ve farklı sistemlerin iklim değişikliğine ve antropojenik rahatsızlık20'nin değişen modellerine nasıl tepki vereceğini aydınlatmaya yardımcı olur.
Farklı yoğunluklarda sodyum politungstat çözeltileri kullanılarak yoğunluk fraksiyonasyonunun kullanımı son on yılda büyük ölçüde artmış olsa da, teknikler ve protokoller önemli ölçüde değişmekte ve farklı çalışmalardan ve farklı ekosistemlerden elde edilen sonuçların karşılaştırılmasını zorlaştırmaktadır. Her ne kadar 1.85 g / cm3'lük bir yoğunluğun, mineralle ilişkili organik maddenin (MAOM) minimum düzeyde dahil edilmesiyle en fazla miktarda serbest ışık fraksiyonunu geri kazandığı gösterilmiş olsa da17, birçok çalışmada 1.65-2.0 g /cm3 arasında değişen yoğunluklar kullanılmıştır. Çoğu çalışma toprakları sadece iki havuza (hafif bir fraksiyon ve ağır bir fraksiyon, bundan sonra LF ve HF olarak anılacaktır) bölmüş olsa da, diğer çalışmalar ağır fraksiyonu ilişkili oldukları minerallere, minerallerin organik kaplamaya göreceli oranına veya toplanma derecesine göre farklılık gösteren havuzlara daha da rafine etmek için çoklu yoğunluklar kullanmıştır (örneğin, Sollins ve ark.17, Sollins ve ark.18, Hatton ve ark.21, Lajtha ve ark.22, Yeasmin ve ark.23, Wagai ve ark.24, Volk ve ark.25). Ek olarak, hem boyut hem de yoğunluk ayrımını birleştiren daha karmaşık fraksiyonasyon prosedürleri önerilmiştir, bu da daha fazla sayıda havuzla (örneğin, Yonekura ve ark.26, Virto ve ark.27, Moni ve ark.15, Poeplau ve ark.10) ve aynı zamanda hem metodolojide hem de havuz büyüklüğü ile ilgili olarak hataya daha fazla yer açmıştır. Ayrıca, yazarlar ayrıca agregaları ve MAOM'u mineral yüzeylerden28,29,30 dağıtmak için çeşitli yoğunluklarda ve zamanlarda sonikasyon kullanmışlardır.
Burada, ilk olarak, iki benzersiz toprak karbon havuzunu (LF ve HF veya POM ve MAOM) tanımlayan sağlam bir yoğunluk fraksiyonasyon prosedürünü açıklıyoruz ve HF havuzunu mineralojilerine, organik kaplama derecelerine veya agregasyonlarına göre farklılık gösteren ek fraksiyonlara daha da ayırmak için hem teknikleri hem de argümanları sunuyoruz. Burada tanımlanan fraksiyonların kimyasal bileşimleri, devir süreleri, mikrobiyal işlem dereceleri ve mineral stabilizasyon dereceleri bakımından farklılık gösterdiği gösterilmiştir18,19.
Aşağıdaki prosedür, belirli bir yoğunluğa sahip bir çözelti içinde bilinen miktarda toprağı karıştırarak dökme toprağı partikül organik maddeye (POM) ve mineralle ilişkili organik maddeye (MAOM) ayırır. Prosedürün etkinliği, ilk toprak numunesi kütlesine ve C içeriğine göre toprak kütlesi ve karbonun kombine geri kazanımı ile ölçülür. Sodyum politungstatın (SPT) deiyonize suda çözülmesiyle yoğun bir çözelti elde edilir. Toprak başlangıçta yoğun SPT çözeltisi ile karıştırılır ve toprak agregalarını iyice karıştırmak ve dağıtmak için çalkalanır. Santrifüjleme daha sonra çözelti içinde yüzen (hafif fraksiyon) veya batan (ağır fraksiyon) toprak malzemelerini ayırmak için kullanılır. Karıştırma, izolasyon, geri kazanım ve yıkama adımları, hafif ve ağır fraksiyonların ayrılmasını ve SPT'nin malzemeden uzaklaştırılmasını sağlamak için birçok kez tekrarlanır. Son olarak, toprak fraksiyonları C içeriği için kurutulur, tartılır ve analiz edilir. Fraksiyone edilmiş malzeme sonraki prosedürler ve analizler için kullanılabilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Sodyum politungstat (SPT) stok çözeltilerinin yapılması
DİKKAT: SPT tahriş edicidir ve yutulması veya solunması durumunda zararlıdır. Sucul organizmalar için toksiktir; çevreye salınımını önlemek.
- 1.85 g /cm3 yoğunluğa sahip 1 L SPT çözeltisi yapmak için, yaklaşık 600 mL deiyonize damıtılmış (DDI) suda 1.051 g kristalize SPT çözün. SPT tamamen çözünene kadar, yaklaşık 15 dakika boyunca çözeltiyi karıştırın ve ardından çözelti hacmini DDI ile 1 L'ye getirin.
NOT: Bir çözelti yoğunluğu <1,85 g/cm3 kullanılarak karbon geri kazanımı, partikül organik madde17,18'den türetilen hafif fraksiyon karbonunu az işe alabilir, bu nedenle numunedeki karbon miktarını yanlış temsil edebilir. Bu nedenle, tipik bir toprak numunesi için partikül organik madde ile ilişkili karbonu daha fazla dahil etmek için 1,85 g /cm3'lük bir SPT çözeltisi yoğunluğu 8,17 önerilmektedir (yani, C içeriğine sahip çoğu kum, silt ve kil tınlı <% 10). - 2.40 g / cm3 yoğunluğa sahip 1 L SPT çözeltisi yapmak için, yaklaşık 500 mL DDI suda 1.803 g katı SPT çözün. SPT tamamen çözünene kadar çözeltiyi karıştırın ve ardından çözelti hacmini DDI ile 1 L'ye getirin.
NOT: Toprak fraksiyonasyonu için potansiyel kullanımın ötesinde, protokolün sonraki adımlarında SPT çözeltisinin ayarlanması için genellikle yoğunluğu 1,85 g/cm3'ten büyük olan bir çözelti gereklidir (bkz. adım 3.2). Fazladan 2.40 g / cm3'lük bir çözelti kalırsa, çözelti deiyonize su ile 1.85 g /cm3'e seyreltilebilir ve toprak fraksiyonasyonu için kullanılabilir. - Fraksiyonasyonda kullanmadan önce, C ve N içeriği için SPT'yi analiz edin. Bu analizi bir katı veya sıvı element analizörü kullanarak gerçekleştirin (örnek yöntemler: ISO 10694:1995, ISO 20236:2018).
- Elementel yıkayıcıların ve katalizörlerin bozulmasını azaltmak için sıvı element analizörleri için adım 1.1'den itibaren çözeltinin 1:100 oranında seyreltilmesini gerçekleştirin. SPT çözeltisindeki C ve N kontaminasyonuna tolerans, numuneye ve toprak fraksiyonlarının sonraki kullanımlarına bağlı olacaktır. Tipik olarak, sırasıyla C ve N içeriğine <1 ppm ve <0,1 ppm olan bir SPT çözeltisi, bunun gibi çözümler çok daha büyük toprak C ve N havuzlarını değiştirmek için minimum kapasiteye sahip olduğundan, kullanım için uygun kabul edilir.
2. SPT'de toprağın çözünmesi
- 250 mL'lik konik polipropilen santrifüj tüpüne hava ile kurutulmuş ve 2 mm'ye kadar elenmiş 50 g toprak ekleyin. Kütleyi en az dört önemli rakama kaydedin. Fırında kurutulmuş toprak kullanmayın, çünkü bu, ısıya bağlı hücre lizisi nedeniyle çözünür karbonu artırabilir31.
NOT: Tarla nemli toprak31 kullanılabilir, ancak SPT çözeltisinin hedef yoğunluğunu korumak için sonraki adımlarda daha fazla ayarlama yapılması gerekir. Toprak malzemesinin 2 mm'ye kadar elenmesi, kayalar ve odunsu döküntüler gibi fraksiyonasyon sonuçlarını çarpıtabilecek büyük malzemelerin çıkarılması için önerilir.- Nicelemede önemli bir hatayı önlemek için her fraksiyonun yeterli bir kütlesinin geri kazanıldığından emin olmak için toprak kütlesini ayarlayın. Kütle ayarlamasının en yaygın nedeni düşük POM içeriğidir (örneğin, toplam toprak kütlesinin% <2'si). Bu tür topraklar için, POM geri kazanımını doğru bir şekilde ölçmek için ek toprak kütlesi sağlayın. Genel olarak, her bir numune için toprak kütlesinin ayarlanması kabul edilebilir, çünkü numune kütlesinin değiştirilmesi POM'un MAOM'a oranını değiştirmez. Bununla birlikte, santrifüjün dengelenmesine yardımcı olmak için tutarlı bir kütle kullanmak genellikle yararlıdır.
- Fraksiyonasyondan önce inorganik karbonatları gidermek için karbonat bakımından zengin toprakları arıtın32.
- Santrifüj tüpüne 50 mL 1,85 g/cm3 yoğunlukta SPT ekleyin ve kapağı sıkıca yerine takın. Toprak miktarlarında olduğu gibi, SPT hacmini gerektiği gibi ayarlayın. POM bakımından zengin yüzey topraklarında (örneğin, birçok ılıman orman toprağı), hafif ve ağır fraksiyonlu malzemelerin yeterli şekilde ayrılmasını sağlamak için SPT'ye daha büyük bir toprak oranı kullanın (örneğin, 30 g toprak ila 60 mL SPT).
- Suya dayanıklı olmayan agregaları parçalamak için tüpü ~ 60 s boyunca elle kuvvetlice sallayın. Toprak agregalarının santrifüj tüpünün yan duvarları ile kuvvetli çarpışması istenir, yani çözeltiyi basitçe vorteksleme yapmak yetersiz olabilir.
- Tüpü bir platform çalkalayıcıya sabitleyin. Genellikle, tüpün yan tarafına yerleştirilmesi, çözeltinin dökülme kuvvetini artırarak ve toprak tabakasının ayakta durma yüksekliğini azaltarak toprak dağılımına yardımcı olur. Tüpün sıkıca kapatıldığına dikkat edin ve 40-120 rpm'de 2 saat çalkalayın. Tüpü periyodik olarak çalkalayıcıdan çıkarın ve daha yoğun agregalanmış malzemenin ajitasyonunu arttırmak için elle kuvvetlice sallayın.
3. Kaba toprak fraksiyonasyonunun yapılması
- Tüpü çalkalayıcıdan çıkarın. Santrifüj tüp kütlelerini, santrifüj edilecek tüp seti boyunca tutarlı bir kütleye ulaşmak için dikkatlice ek SPT çözeltisi ekleyerek eşitleyin ve SPT çözeltisini ekledikten sonra 30 s boyunca elle kuvvetlice sallanmasını sağlayın. Sallanan kovalı santrifüjde 3.000 x g'de 10 dakika boyunca santrifüj.
- Numuneyi aspire etmeden önce, çözeltinin 5 mL'sini bir pipetle çekerek ve kütleyi bir terazide kontrol ederek süpernatantın yoğunluğunu test edin. İstenilen yoğunluğu elde etmek için SPT yoğunluğunu gerektiği gibi ayarlayın. Bir çözelti yoğunluğu ayarı yapılmışsa tekrar çalkalayın ve santrifüj yapın.
- Bir vakum pompasına 1 L'lik bir yan kol şişesi takın. 12 cm iç çaplı (ID) porselen Buchner hunisine 110 mm'lik bir cam elyaf filtre (0,7 μm gözenek boyutu) yerleştirin. Yan kol şişesine konik bir kauçuk conta kullanarak huniyi dikkatlice kapatın.
NOT: Cam elyaf filtreler 150 °C'de bir etüv fırınında önceden yıkanmalı ve kullanımdan önce DDI ile durulanmalıdır. - Vakuma bağlı ek bir adet 1 L yan kol şişesi ayarlayın. Şişenin üstüne, aspirasyon için ~ 0,5 m çıkıntılı boru uzunluğuna sahip bir lastik tıpa yerleştirin.
NOT: Aspirasyon sırasında emmenin kontrolünü iyileştirmek için aspirasyon borusunun sonuna plastik bir uç (ucu açılı olarak kırpılmış 5 mL'lik tek kullanımlık pipet ucu gibi) takmak yararlı olabilir (bkz. Şekil 1). - Çözeltinin üst tabakasına yerleşmiş olan süpernatant ve asılı malzemeyi, santrifüj tüpünün kenarları boyunca nazikçe aspire edin, aspirasyon tüpünün ucunu altındaki peletlenmiş toprak yüzeyine dokunmamaya dikkat edin.
NOT: Herhangi bir toprak pelet malzemesi (ağır fraksiyon), asılı (hafif fraksiyon) malzeme ile birlikte yanlışlıkla aspire edilirse, fraksiyonasyon prosedürü tekrarlanmalıdır. Fark edilmezse, böyle bir hata, beklenenden daha düşük C içeriğine sahip beklenenden daha ağır bir ışık fraksiyonu kütlesi ile sonuçlanacaktır; bu, benzer toprak özelliklerine sahip numunelerin veri analizi ile belirgin olabilir.- Numuneler arasındaki aspirasyon tüpünü temizlemek için, tüpün ucunu DDI suyuna hızlı bir şekilde daldırın (örneğin, 0,1 sn daldırın) ve vakum pompası açıkken hat boyunca ~5 mL DDI suyu çekin. Tüm malzeme vakum tüpünden temizlenene kadar tekrarlayın.
- Kauçuk tıpayı ve aspirasyon tüpü bağlantısını yan kol şişesinden çıkarın ve içeriği vakum pompası açıkken Buchner hunisinin üstüne dökün.
- Şişeyi DDI suyuyla durulayın, girdap yapın ve şişe içeriğini Buchner hunisine dökün. Şişenin kenarlarına yapışan tüm kalıntılar çıkarılana kadar tekrarlayın.
- Santrifüj tüpüne 50 mL SPT ekleyin ve 60 s boyunca elle kuvvetlice çalkalayın (veya toprak hızla dağılmazsa bir çalkalayıcı tablası kullanın), tüpün altındaki sert peleti parçaladığınızdan emin olun, böylece tüm kalıntılar yeniden askıya alınır. 3.000 x g'de 10 dakika boyunca santrifüj.
- 3.5 adımını yineleyin. Şişe içeriğini adım 3.5.2'de kullanılanla aynı Buchner hunisine dökün.
- Santrifüj tüpüne 50 mL SPT ekleyin ve tüpün altındaki sert peleti parçaladığınızdan emin olarak elle kuvvetlice çalkalayın. 3.000 x g'de 10 dakika boyunca santrifüj.
- 3.5 adımını yineleyin. Şişe içeriğini adım 3.5.2'de kullanılanla aynı Buchner hunisine dökün.
4. Daha yüksek yoğunluklu SPT kullanarak ek yoğunluk ayırma(lar)ı
NOT: Birden fazla ilave yoğunluk fraksiyonu gerçekleştiriliyorsa, sonraki fraksiyonasyonlar artan yoğunluk sırasına göre yapılmalıdır. Burada, 1.85-2.4 g /cm3 ve >2.4 g /cm3 yoğunluklu SPT kullanarak izole etme adımları gösterilmiştir.
- 3. adımdan itibaren >1,85 g/cm3 toprak malzemesini içeren santrifüj tüpüne 50 mL 2,4 g/cm3 SPT ekleyin. Elle kuvvetlice çalkalayın (>60 sn), tüpün altındaki sert peletin parçalandığından emin olun. 3.000 x g'de 10 dakika boyunca santrifüj.
- Numuneyi aspire etmeden önce, çözeltinin 5 mL'sini bir pipetle çekerek ve kütleyi bir terazide kontrol ederek süpernatantın yoğunluğunu test edin. İstenilen yoğunluğu elde etmek için SPT yoğunluğunu gerektiği gibi ayarlayın. Bir çözelti yoğunluğu ayarı yapılmışsa tekrar çalkalayın ve santrifüj yapın.
- Daha önce kullanılan 1,85 g/cm3 SPT çözeltisi yerine 2,4 g/cm3 SPT çözeltisi kullanarak 3. adımı tekrarlayın. 3. adımın sonunda, Buchner hunisinde izole edilen malzeme 1.85-2.4 g / cm3 arasında bir yoğunluğa sahip olurken, santrifüj tüpünde kalan malzeme >2.4 g /cm3 yoğunluğa sahip olacaktır.
5. SPT'nin ağır ve hafif fraksiyon numunelerinden yıkanması
NOT: Tüm fraksiyone malzeme için aşağıdaki yıkama adımları gerçekleştirilmelidir. SPT çözeltisi malzemeden tamamen durulanmazsa, karşılık gelen fraksiyon ağırlıkları yanlış olacaktır.
- Ağır fraksiyon malzemesi ile santrifüj tüpüne 50 mL DDI su ekleyin ve tüpün altındaki sert peleti parçaladığınızdan emin olarak elle kuvvetlice çalkalayın (60 s). 3.000 x g'de 10 dakika boyunca santrifüj.
- Adım 3.5'teki gibi aspire edin. Bu noktada, tüm ışık fraksiyonu malzemesi çıkarılmış olmalıdır. Şeffaf aspiratı filtre hunisine eklemek yerine bir atık kovasına atın.
- 5.1-5.2 arasındaki adımları iki kez yineleyin. Çözeltiyi tüpte son olarak aspire etmeden önce, süpernatanın 25 mL'sini çekmek için bir transfer pipeti kullanın ve SPT'nin numuneden yeterince çıkarıldığından emin olmak için çözelti ağırlığını hacme bölerek yoğunluğu kontrol edin. Yoğunluk <1,01 g/mL ise, bir sonraki adıma geçin. Yoğunluk 1,01 g/mL veya daha büyükse, yoğunluk 1,01 g/mL'den az olana kadar yukarıdaki gibi ilave su yıkamaları yapın.
- SPT'nin ışık fraksiyonundan tamamen çıkarılmasını sağlamak için, her Buchner hunisini DDI suyuyla doldurun ve içeriği cam elyaf filtrelerle filtreleyin. Su tamamen filtrelendikten sonra, bunu iki kez daha tekrarlayın. Toprak organik madde bakımından yüksekse, filtrasyon 48 saate kadar sürebilir.
6. Ağır fraksiyon malzemesinin toplanması
- Toprağı santrifüj tüpünden temiz, etiketli bir cam beher veya kavanoza dikkatlice kazıyın. Kalan toprağı gevşetmek için tüpe yeterli DDI suyu dökün; Kapağı yerine takın ve çalkalayın ve bulamacı cam kaba ekleyin. Kalan tüm toprağı santrifüj tüpünden durulayın ve deiyonize su kullanarak cam kaba aktarın.
- Cam kabı 40-60 °C arasında ayarlanmış bir etüv fırınına yerleştirin. Sabit bir kuru ağırlığa ulaşana kadar, tipik olarak 24-72 saat boyunca kurutun.
7. Işık fraksiyonu malzemesinin toplanması
- Vakum pompasını kapatın ve huniyi yan kol şişesinden çıkarın. Hunisini etiketli bir cam beher veya kavanoz üzerinde yatay olarak tutarak, bir DDI su yıkama şişesi kullanarak partikülleri filtreden hafifçe durulayın.
NOT: Bir spatula kullanarak filtreyi nazikçe kazımak ve tüm kalıntıları gidermek için filtrenin her iki tarafını durulamak gerekebilir. - Cam kabı 40-60 °C arasında ayarlanmış etüv fırınına yerleştirin. Sabit bir kuru ağırlığa ulaşana kadar, tipik olarak 24-72 saat boyunca kurutun.
8. Fraksiyone edilmiş malzemenin kuru kütlesinin tartılması
- Kurutulmuş tüm malzemeyi her bir kaptan plastik bir tartım teknesine yavaşça kazıyın. Kütleyi dördüncü ondalık basamağa kadar kaydedin. Numuneyi etiketli bir saklama şişesine veya torbasına yerleştirin.
- Tüm kurutulmuş numuneler için tekrarlayın.
9. Toplam organik karbon için veri toplama ve analiz
- C elementi içeriğinin analizi için kullanılacak cihaza uygun analiz prosedürlerini izleyin (örneğin, ISO 10694:1995).
NOT: Kurutulmuş fraksiyon malzemesinin ince bir toz halinde öğütülmesi, element analizinden önce fraksiyone edilmiş numunenin homojenliğini sağlamak için yaygın bir uygulamadır. - Tüm fraksiyonların kümülatif kütlesinin, orijinal toprak numune kütlesinin en az ~% 90'ına eşit olduğundan emin olun. Malzeme kayıpları% >10 ise, ek çoğaltma fraksiyonasyonları önerilir.
- Fraksiyonlardaki toprak organik karbonunun (SOC) kümülatif geri kazanımını ölçün. SOC'nin kayıpları, orantısız fraksiyon malzemesi kaybı ve çözünmüş organik karbon kaybı nedeniyle kütle kaybı ile mükemmel bir şekilde ilişkili olmayabilir. Bununla birlikte, SOC kayıpları da toprak örneğindeki ilk SOC'nin% <10'u olmalıdır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Toprak yoğunluğu fraksiyonasyonu, toprakların partikül ve mineral ile ilişkili organik madde içeriğinde nasıl farklılık gösterdiğini araştırmak için idealdir. SOC'yi bu iki ayrı havuza ayırmak, toprak C içeriğindeki değişiklikleri ve dökme toprak C içeriğindeki eğilimleri gözlemlerken aksi takdirde belirsiz olabilecek stabilizasyon dinamiklerini aydınlatmak için bir yol sağlar. Ağır malzemenin daha fazla ayrılması (yoğunluk >1.85 g /cm3), toprak C stabilizasyonundaki değişiklikler ve eğilimler hakkında ek bilgi sağlar, ancak prosedürün ve ilgili yorumlamanın karmaşıklığını arttırır ve ek maliyetlerle ilişkilidir. Bununla birlikte, toprağın üç veya daha fazla yoğunluklu havuza bölünmesi, toprak C havuzlarındaki karmaşık eğilimleri ve kimyasal farklılıkları aydınlatabilir. Herhangi bir toprak fraksiyonasyon prosedüründe olduğu gibi, bu toprak C havuzlarının ayrılması kusurludur ve sonuçları bildirirken bu tür hataların potansiyel etkisi ve yöntemin varsayımları tanınmalıdır. Son olarak, uygulayıcılar var olan toprak fraksiyonasyon yöntemlerinin çeşitliliğinin ve bunların benzersiz güçlü ve zayıf yönlerinin farkında olmalıdırlar (von Lützow ve ark.9 ve Poeplau ve ark.10 tarafından sağlanan incelemelere ve karşılaştırmalara bakınız). Bu toprak fraksiyonasyon yöntemlerinin birçoğu birbirini dışlamaz ve toprak C dinamiklerinin analizlerini iyileştirmek veya doğrulamak için uygun şekilde birleştirilebilir.
Kullanılacak yoğunluk fraksiyonlarının sayısını seçmek, fraksiyonasyon prosedürüne başlamadan önce kritik ilk adımdır. Sonuçları diğer çalışmalarla karşılaştırmak için tek bir ışık ve tek bir ağır kesir üretmek için birden fazla havuz her zaman matematiksel olarak birleştirilebilirken, ağır fraksiyonu birden fazla havuza bölmek önemli ölçüde zaman ve masraf ekler. Pierson ve ark.33, uzun vadeli bir detrital manipülasyon çalışmasının ardından üç yoğunluk havuzunda SOC'deki değişimi ölçtüler. İki ağır havuzu birleştirirken (Şekil 2), detrital tedavilerin etkileri, özellikle toplu SOC içeriğinden gözlemlenen etkilere göre, hafif (<1.85 g /cm3) ve ağır (>1.85 g /cm3) fraksiyonlar arasında farklıydı. Ek yoğunluk fraksiyonasyonu 2.40 g / cm3'te gerçekleştirilerek (Şekil 3), MAOM üzerindeki tedavi etkilerinin ağırlıklı olarak daha yüksek yoğunluklu malzeme (>2.4 g /cm3) ile sınırlı olduğu daha da belirlenebilir. Son olarak, yoğunluk fraksiyone havuzlarına göre dökme toprağın rapor edilen C: N içeriği (Şekil 4), bitki bazlı partikül malzemeyi nispeten düşük C: N içeriğine sahip mineral maddeden ayırmak için yoğunluk fraksiyonasyon yönteminin etkinliğinin açık bir gösterimini sunmaktadır.
50 yıllık detrital manipülasyonlardan sonra, Lajtha ve ark.22 , SOC stabilizasyonu ve destabilizasyonu üzerindeki detrital etkileri yakından incelemek için altı ardışık yoğunluk fraksiyonasyonu kullanmıştır (Şekil 5). Yedi SOC havuzunu izole ederek, yazarlar çöp ekleme ve çıkarma işlemlerini takiben POM ve MAOM yanıtında daha büyük bir nüans gözlemleyebildiler. Yoğunlukları <2.20 g/cm3 olan havuzlar, çöp girdisi ile SOC birikimi arasında pozitif bir ilişki olduğuna dair uzun süredir devam eden beklenti ile uyumlu olarak, tedaviye daha duyarlı olmuştur. Bununla birlikte, yoğunlukları >2.20 g /cm3 olan SOC havuzlarının tepkisi daha az belirgindi ve özellikle çöp giderme işlemi için, girdiler ile SOC arasında zıt, negatif bir ilişki tespit edildi (yani, girdiler azaltıldı, ancak fraksiyonun SOC içeriği arttı). 14C'nin müteakip analizleri yapılarak, her havuz için daha yeni C girdilerinin katkıları ve kayıpları tespit edildi ve MAOM için oluşum ve istikrarsızlaştırma yollarının zararlı kontrolü hakkında mekanik bir bakış açısı sağlandı.
İzotopik analizi sıralı yoğunluk fraksiyonasyonu ile birleştirmek, SOM dinamiklerinin inceliklerini araştırmak için ek yollar sağlar. Bununla birlikte, araştırmacılar mineralojinin yoğunluk fraksiyonasyon sonuçları üzerindeki etkisini göz önünde bulundurmaya özen göstermelidir. Eşsiz mineral yapısı ve reaktivitesi, mineraller arasındaki partikül yoğunluğu dağılımlarında doğal farklılıklara neden olur. Örnek olarak, Sollins ve ark.18, farklı ana materyallere ve morfolojilere sahip dört ormanlık topraktaki çoklu yoğunluklu havuzların izotopik ve kimyasal özelliklerini incelemiştir (Şekil 6). Dört toprak arasındaki zıt mineraloji, her yoğunluk fraksiyonu için 13 C, 14C ve 15N'de gözlenen farklılıklara büyük ölçüde katkıda bulunmuştur. Mineroloji dikkate alınmadan, bu tür sonuçlar SOC oluşumu ve stabilizasyon dinamikleri açısından yanlış yorumlanabilir. Son olarak, ek yoğunluk ayrımları yapmanın pratikliğine geri dönersek, Sollins ve ark.18 tarafından sadece üçünün aksine altı yoğunluk havuzunun analizinden çok az ek bilgi elde edilmiştir (Şekil 6).
Helbling ve ark.31 , mevsimselliğin ormanlık toprakların ışık fraksiyonu içeriği üzerindeki etkisini ve ayrıca toprak kurutma işleminin C'nin çözünür havuza kaybı üzerindeki etkisini belirlemiştir (Şekil 7). Bu çalışmadan iki önemli sonuç ortaya çıkmıştır. İlk olarak, toprağın fırında kurutulması, SPT çözeltisine önemli ölçüde daha fazla çözünmüş organik C kaybı sağlarken, kaybedilen C miktarı önemsizdi. İkincisi, hafif fraksiyon C havuzunda herhangi bir mevsimsellik olmadığı görülmüştür, bu da toprak numunesi toplama zamanlamasının fraksiyonasyon sonuçlarını etkilemediği anlamına gelir. Bununla birlikte, POM stoklarındaki ve ayrışma oranlarındaki farklılıklar göz önüne alındığında, sonuçların topraklar ve ortamlar arasında farklılık göstermesi beklenebilir.
Resim 1: Işık fraksiyonu aspirasyon aspirasyon aparatı. Işık fraksiyonunun aspirasyonu için vakum aparatının şeması. *Parafilm, pipet ucu ile vakum tüpü arasındaki bağlantıyı sabitlemek ve kapatmak için kullanılabilir. **Pipet ucunu bir açıyla kesmek, uç açıklığının boyutunu artırmak ve santrifüj borusunun yan duvarlarına yakın emiş uygulamak için yararlı olabilir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: Dökme, hafif ve ağır fraksiyonlu toprak için karbon içeriğinin karşılaştırılması. Toprak, 20 yıllık işlemden sonra H.J. Andrews Deney Ormanı'ndaki Detrital Giriş ve Uzaklaştırma Arıtma (DIRT) arazilerinden toplanmıştır (n = 3). Kök çıkarma tedavileri (NR, NI) için mineral ilişkili C, dökme C içeriği üzerinde gözlenen etkilerin aksine, önemli ölçüde artmıştır. Ayrıca, fraksiyone edilmiş sonuçlar, çift odun (DW) işleminden elde edilen C kütlesindeki artışın, ışık fraksiyonu C'deki bir artıştan kaynaklandığını göstermektedir. Hata çubukları standart hatayı temsil eder. Bu rakam Pierson ve ark.33'ten değiştirilmiştir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: Orta ve ağır fraksiyon havuzlarının karşılaştırılması. Toprak, 20 yıllık işlemden sonra H.J. Andrews Deney Ormanı'ndaki Detrital Giriş ve Uzaklaştırma Arıtma (DIRT) arazilerinden toplanmıştır (n = 3). Sonuçlar, bir ara fraksiyonun (1.85-2.40 g /cm3) ve daha ağır bir fraksiyonun (>2.40 g /cm3) izolasyonundan elde edilen bulguları göstermektedir. Ara fraksiyon C içeriği daha fazla değişkenlik gösterdi ve hiçbir tedavi etkisi anlamlı değildi. Hata çubukları standart hatayı temsil eder. Bu rakam Pierson ve ark.33'ten değiştirilmiştir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4: Dökme, hafif ve ağır fraksiyonlu topraklar için karbon-azot oranları. Toprak, 20 yıllık işlemden sonra H.J. Andrews Deney Ormanı'ndaki Detrital Giriş ve Uzaklaştırma Arıtma (DIRT) arazilerinden toplanmıştır (n = 3). Bitki dokusunun toprak minerallerine göre yüksek C: N içeriği göz önüne alındığında, hafif ve ağır fraksiyonlar arasındaki C: N içeriğinde gözlenen fark, toprak yoğunluğu fraksiyonasyonunun partikül organik maddeyi dökme topraktan ayırma yeteneğini açıkça göstermektedir. Hata çubukları standart hatayı temsil eder. Bu rakam Pierson ve ark.33'ten değiştirilmiştir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 5: 50 yıllık detrital manipülasyonları takiben toprağın sıralı yoğunluk fraksiyonasyonu (n = 4). Toprağı yedi yoğunluk fraksiyonuna ayırmak, toprak mineralleri üzerindeki C yüklemesinin doğası hakkında fikir verdi. C toprağını artıran çift çöp işlemi, kontrole göre fraksiyon C konsantrasyonlarındaki değişimin gösterdiği gibi, mineral malzemenin 2.00-2.40 g /cm3 fraksiyonunda C yüklemesine yol açmıştır. C toprağının çöpsüz muameleden kaynaklanan kayıpları, 1.85-2.20 g /cm3 arasındaki yoğunluklara sahip toprak fraksiyonlarında en fazlaydı. Hata çubukları standart hatayı temsil eder. Bu rakam Lajtha ve ark.22'den değiştirilmiştir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 6: Minerolojinin toprak yoğunluk havuzları üzerindeki etkileri. Eşsiz morfolojiye sahip topraklar dört ormanlık alandan toplanmıştır. İzotopik analiz, toprak mineralojisinin toprak yoğunluğu havuzlarındaki biyojeokimyasal özellikleri nasıl etkileyebileceğini göstermektedir. Ayrıca, bu örnekte, altı veya daha fazlasının aksine üç yoğunluk havuzunun analizi, farklı izotopik imzaların içindeki ve arasındaki eğilimleri büyük ölçüde yakaladı. Bu rakam Sollins ve ark.18'den değiştirilmiştir. Orijinal veriler ve grafikler altıdan fazla havuz içeren sütunda gösterilir; Veriler yeniden hesaplandı ve yalnızca üç havuzun sonuçlarını göstermek için görüntülendi. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 7: Numune toplama ve hazırlamanın toprak yoğunluğu fraksiyonasyonu üzerindeki etkileri. Helbling ve ark.31 , fırında kurutulmuş toprağın genellikle hava ile kurutulmuş, tarla nemli ve süzülmüş toprağa göre daha fazla çözünmüş organik karbon verdiğini bulmuşlardır. Numune toplama mevsimleri boyunca, hafif ve ağır fraksiyon kütlesinin oranı önemli ölçüde farklı değildi. Bu rakam Helbling ve ark.31'den değiştirilmiştir. Hata çubukları standart hatayı temsil eder. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Toprak yoğunluğu fraksiyonasyon protokolü boyunca, toprak fraksiyonlarının ayrılması ve analizindeki hatayı azaltmaya yardımcı olmak için yakından izlenmesi gereken birkaç özel prosedür vardır. Toprak yoğunluğu fraksiyonasyon prosedüründe kritik bir adım, SPT çözeltisinin yoğunluğunu tekrar tekrar doğrulamaktır. Toprak numunesindeki nem genellikle SPT çözeltisini seyreltir, böylece SPT'nin yoğunluğunu azaltır. Bu nedenle, araştırmacı her zaman santrifüjlemeyi takiben hafif ve ağır çözeltilerin tamamen ayrılmasını sağlamalıdır. Fraksiyonlar yeterince ayrılmazsa, SPT çözeltisinin daha fazlası eklenmeli veya toprağın kütlesi azaltılmalıdır. Kumlu topraklar hızlı bir şekilde ayrılırken, özellikle Oksisoller gibi ince dokulu topraklar, ince parçacıkların yüksek asılı yükü nedeniyle santrifüjleme sırasında uzun süre bulutlu kalabilir. Santrifüjlemeden sonra çözeltiler bulutlu göründüğünde, santrifüjleme süresi veya hızı arttırılmalıdır. Alternatif olarak, asılı tortudan C kaybının bir tahmini, aspire edilen çözeltinin C içeriği analiz edilerek belirlenebilir.
Satın alınacak sodyum politungstatın (SPT) kalitesinin belirlenmesi, fraksiyonasyon sonrası yapılacak analizlere bağlıdır. Kramer ve ark.34, ticari SPT'nin yüksek 15 N amonyum bakımından zenginleştirilebileceğini ve böylece toprak fraksiyonlarının 15N imzasını önemli ölçüde değiştirebileceğini bulmuşlardır. Bu nedenle, toprakların izotopik imzalarının ölçüleceği çalışmalar için minimum C ve N kontaminasyonunu sağlamak için yüksek saflıkta dereceli bir SPT (örneğin, SPT-0) kullanılmalıdır. Bununla birlikte, bir adım daha düşük saflık derecesine sahip SPT (örneğin, SPT-1) genellikle minimum N ve C zenginleştirmesine sahiptir ve daha ucuzdur, böylece izotoplar ölçülmediğinde daha ekonomik bir seçenek sunar.
Önemli hatalardan kaçınmak için, aspirasyon sırasında santrifüj tüplerinin yan duvarlarına ve sonraki filtreleme adımları sırasında huniye yapışan çözeltinin tüm ışık fraksiyonunu çıkarmaya özen gösterilmelidir. Ağır fraksiyon malzemesinde kalan aşırı ışık fraksiyonu, hafif fraksiyon C'nin düşük bir tahminine neden olurken, aynı zamanda ağır fraksiyonun C içeriğini de aşırı tahmin edecektir. Nihai verilerin yakından incelenmesi, benzer toprak özelliklerine sahip bir dizi numuneyi fraksiyone ederken bu tür hataların belirlenmesine yardımcı olabilir.
Çözünmüş organik karbonun (DOC) çözeltiye kaybı tipik olarak küçüktür, genellikle toplam toprak C'nin% <5'idir ve önlenemez (Şekil 7)31. Bununla birlikte, DOC'un kayıpları, bazı çöl ortamlarında bulunanlar gibi yüksek çözünür C havuzlarına sahip toprakları fraksiyone ederken çok daha büyük olabilir35. Bu gibi durumlarda, su ile çıkarılabilen DOC havuzu da ölçülmelidir. Tipik olarak, toprak kütlesi kaybından, özellikle ışık fraksiyonundan kaynaklanan hatalar, DOC kaybının neden olduğu hatalardan çok daha büyüktür.
Politungstatın toprak örneğine adsorpsiyonu kimyasal bir olasılıktır ve bu tür kimyasal değişimlerin ne ölçüde gerçekleştiği şu anda bilinmemektedir. Ayrıca, politungstatın bağlanma afinitesinin farklı kimyasal özelliklere sahip topraklarda değişmesi beklenmektedir. Şu anda, prosedürün sonunda toprak kütlesi kaybı ile SOC kaybı arasındaki korelasyon, politungstat değişiminden elde edilen herhangi bir kütle kazancının, fraksiyone edilmiş malzemedeki SOC'nin nicelleştirilmesi için ihmal edilebilir olduğuna dair basit ve lojistik olarak uygulanabilir bir güvence şekli sağlamaktadır. Toprak fraksiyonunun kümülatif kütlesi ilk numune kütlesinden büyükse veya kütle kayıpları SOC kayıplarından belirgin bir şekilde daha azsa, numuneler politungstatı emebilir. Böyle bir sorunu çözmeye çalışmak için önce ek yıkama adımları gerçekleştirilmelidir. Fraksiyone edilmiş malzemedeki politungstatın emilimi devam ederse, fraksiyone edilmiş malzemenin tungsten içeriğindeki bir artışı doğrulamak ve düzeltmek için ek element analizi gerekebilir. Özellikle, politungstatın toprak malzemesinden durulanamamasını içeren bu tür sorunlar nadirdir.
Yoğunluk fraksiyonasyonu ideal olarak serbest partikül maddeyi (POM) mineralle ilişkili organik maddeden (MAOM) ayırsa da, suya dayanıklı agregaların varlığı, yoğunluk fraksiyonasyonu sonuçlarının yorumlanmasını zorlaştırmaktadır. Silt ve kil güçlü ilişkiler oluşturabilir ve organik madde ile bağlanabilir ve toprak biyotası, kökler ve mantar hifleri, organik bileşiklerin mikrobiyal ayrışmadan korunmasına yardımcı olan makroagregalar oluşturabilir. Genellikle tıkanmış organik madde olarak adlandırılan bu agrega korumalı organik madde MAOM değildir, ancak ağır fraksiyonda (yani, >1.85 g /cm3) geri kazanılacaktır. Tıkalı POM'un dahil edilmesinin, ara yoğunluk fraksiyonlarının sonuçları ve yorumlanması üzerinde en etkili olması muhtemeldir. ~ 2.40 g /cm3'ün üzerindeki bir yoğunluktaki fraksiyonların, tıkanmış organik malzemeden yoksun organik-fakir mineraller içermesi ve yoğunluğu 1.85 g /cm3'ten küçük olan malzemenin mineral içermeyen organik madde olduğu varsayılırken, ara fraksiyonlar organik bakımından zengin ağır minerallerin, agregaların ve organik bakımından fakir hafif minerallerin karışımları olabilir. Bugüne kadar, ara fraksiyon materyalinde bulunan C'deki farklılıkların yorumlanması için ortak bir fikir birliği veya yaygın bir yöntem ortaya çıkmamıştır. Bu tür bilgileri bildirirken, tıkanmış organik madde ve mineralojinin sonuçlar üzerindeki potansiyel etkisini kabul etmenizi öneririz.
En yaygın kullanılan yöntemi temsil eden ultrasonik enerji ile tıkalı POM'un salınmasını kolaylaştırmak için agregaları dağıtmak için çeşitli kimyasal ve fiziksel teknikler kullanılmıştır. Ne yazık ki, agrega mukavemeti ve bağlanma mekanizmaları hem toprak tipleri hem de agrega boyutu sınıfları36 üzerinde geniş ölçüde değiştiğinden, tüm agregalarda tam dağılıma neden olabilecek tek bir sonikasyon enerji seviyesi yoktur. Amelung ve Zech36 , mikroagregaların (20-250 μm) dağılması için daha büyük makroagregalardan daha fazla ultrasonik enerji gerektirdiğini, ancak aynı zamanda partikül organik maddenin bu yüksek enerjilerde bozulduğunu buldu. Ayrıca, artan yoğunluğa sahip sıralı sonikasyon, serbest tıkalı organik madde37 vermeye devam eder, yine tek bir tıkalı organik madde havuzu olmadığını ve daha yüksek sonikasyon seviyelerinde, ayrılmış ışık fraksiyonu malzemesinin çoğunun kolloidal bir eser olabileceğini düşündürür. Kaiser ve Guggenberger30 ayrıca ışık fraksiyonu organik madde karışımlarının farklı minerallerle yoğunluk dağılımını değiştirmek için sonikasyon potansiyelini gösterdi. Toprak yoğunluğu fraksiyonasyonu sırasında veya sonrasında ultrasonik dispersiyon tekniklerini dahil etmek, SOM havuzlarını dağıtmak ve izole etmek için eşsiz fırsatlar sunarken, bu çalışmalar dispersiyon etkinliğinin ve POM ve mineral yapıların tahrip edilmesinin dikkate alınmasını garanti eder.
C toprağını kolayca ölçülebilir havuzlara ayırmak için en yaygın alternatif yöntem boyut fraksiyonasyonudur. Boyut fraksiyonasyonu, yoğunluk fraksiyonasyonuna göre hızlı ve düşük maliyetlidir ve kil içeriği ile MAOM arasındaki korelasyon göz önüne alındığında SOM dinamikleri hakkında benzer bilgiler sağlayabilir. Gerçekten de, Poeplau ve ark.10 , üç farklı toprakta boyut ve yoğunluk fraksiyonasyonu ile ayrılmış C havuzları için SOM devir hızlarında anlamlı bir fark bulamamıştır. Bununla birlikte, kil eşdeğeri veya daha küçük bir boyuta sahip partikül organik madde (POM) yaygındır, yani tek başına boyut fraksiyonasyon yöntemleri POM'u MAOM'dan doğru bir şekilde ayıramaz. POM'un ince boyutlu fraksiyonlara dahil edilmesi, bu nedenle, önemli miktarda ince partikül madde içeren bazı topraklarda elementel ve organik kimyasal analizlerde hatalara yol açabilir15. Mineral malzemenin C içeriğini belirli bir parçacık boyutunda (örneğin, kum, silt, kil) ölçmek için bir ihtiyaç varsa, iki yöntem tek bir yoğunluk fraksiyonasyonu ve ardından ağır fraksiyon malzemesinin boyut fraksiyonasyonu gerçekleştirilerek birleştirilebilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarların açıklayacak hiçbir şeyi yok.
Acknowledgments
Bu çalışma için, Ulusal Bilim Vakfı tarafından KL'ye DEB-1257032 ve HJ Andrews Uzun Vadeli Ekolojik Araştırma programına DEB-1440409 hibeleri sağlanmıştır.
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 |
References
- 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).
- Crowther, T. W., et al. Quantifying global soil carbon losses in response to warming. Nature. 540 (7631), 104-108 (2016).
- 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).
- Griscom, B. W., et al.
- Fargione, J. E., et al. Natural climate solutions for the United States. Science Advances. 4 (11), (2018).
- 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).
- Schmidt, M. W. I., et al. Persistence of soil organic matter as an ecosystem property. Nature. 478 (7367), 49-56 (2011).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Eusterhues, K., Rumpel, C., Kögel-Knabner, I. Stabilization of soil organic matter isolated via oxidative degradation. Organic Geochemistry. 36 (11), 1567-1575 (2005).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Amelung, W., Zech, W. Minimisation of organic matter disruption during particle-size fractionation of grassland epipedons. Geoderma. 92 (1-2), 73-85 (1999).
- 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).
