Sıralı Fumigasyon Kuluçka Prosedürleri kullanma Toprakta Dayanıksız Organik Karbon Değerlendirilmesi
Summary
Labile organic carbon (LOC) and the potential carbon turnover rate are sensitive indicators of changes in soil nutrient cycling processes. Details are provided for a method based on fumigating and incubating soil in a series of cycles and using the CO2 accumulated during the incubation periods to estimate these parameters.
Abstract
Yönetim uygulamaları ve çevresel değişiklikler, toprak besin ve karbon bisiklet değiştirebilir. Toprak kararsız organik karbon, bir kolaylıkla ayrışabilir C havuzu, rahatsızlık oldukça duyarlıdır. Aynı zamanda besin döngüsü için temel bir toprak mikroorganizmaları için birincil substrat vardır. Nedeniyle bu özelliklerine, kararsız organik karbon (KO) toprak sağlığı için bir gösterge parametre olarak tespit edilmiştir. LOC devir hızı miktarının da toprak besin döngüsü süreçlerinde değişiklikleri anlamakta yardımcı olur. Sıralı fümigasyon inkübasyon yöntemi toprak LOC ve potansiyel C devir hızı tahmin etmek geliştirilmiştir. Yöntem toprak örnekleri fumigating ve tütsüleme-inkübasyon döngüsü bir dizi üzerinde 10 günlük kuluçka döneminde CO 2-C solunuma ölçülmesi gerektirir. Kararsız organik C ve potansiyel C devir hızı daha sonra bir negatif üstel modeli ile birikmiş CO 2 hesaplanmıştır. Bu yöntemi yürütmek için prosedürler tarif vardırd.
Introduction
Nedeniyle karbon (C) ve besin döngüsü ve toprak değişimine duyarlılığı içinde hayati rollere, toprak LOC toprak organik madde kalitesinin bir göstergesi olarak ölçmek için önemli bir parametredir. büyük ölçüde ormanlar ve Ekosistemler besin kaynağı olarak toprak organik madde besinlerin mineralizasyon bağlıdır. Yönetimi faaliyetleri besin kaynağı 1 değişiklikler sonucu, toprak organik C havuzu boyutunu ve devir hızı değiştirebilir. Toprak organik C birkaç yıl 2,3,4 birkaç hafta ciro oranlarına sahip inatçı birkaç bin yıl ciro oranlarına sahip C ve LOC, iki temel kesirler oluşur. Toprak kararsız Cı, bitki çöp 1,4,5 mikrobiyal biyokütle C, düşük molekül ağırlıklı bileşikler (amino asitler, basit karbonhidrat) tesis rhizodeposition arasında, ve ayrıştırma yan ve sızıntı suları gibi kolayca ayrıştırılabilen yüzeyler oluşur. Toprak kararsız C kolayca ayrışabilir olduğundan, orahatsız veya toprağa 6 değiştirmek yönetim uygulamaları ve doğal olayların son derece duyarlı. Toprak kararsız C organik maddenin 7 ayrışma toprak mikroorganizmaları için birincil enerji kaynağı olarak hizmet vermektedir. Toprağın organik C 8 kararlı formları yaptığından daha büyük ölçüde böyle, LOC etkiler besin döngüsü olarak. Toprak mikroorganizmalar da LOC 9,10,11 ve prime etkisi ile kolaylaştırdı inatçı toprak organik madde ayrışması sırasında meydana heterotrofik solunum çoğunluğu sorumludur. Toprak organik C yaklaşık iki katı atmosferik C 11 olduğundan, bu solunum küresel C döngüleri önemli bir rol oynar.
Karasal ekosistemlerde önemi bir sonucu olarak, çeşitli yöntemler, toprak LOC tahmin etmek için geliştirilmiştir. fiziksel, kimyasal ve biyokimyasal: Bu yöntemler üç genel sınıfa tarif edilebilir. Densitometrik ayırma yöntemleri, fiziksel met vardırağır veya hafif fraksiyonlar halinde veya kaba ve ince tanecikli organik C 12,13,14,15 içine toprak organik C ayıran oluşur ods. Ayırma yöntemleri gerçekleştirmek için nispeten kolay, ama onlar çoğu zaman yapmak için şu fraksiyonları toprak tipi mineral kompozisyonu, bitki materyali boyut ve yoğunluk ve toprak agrega tutarlılık 13,15 ile değişir çünkü tutarlı sonuçlar üretir. Ayırma yöntemleri de LOC 15 hakkında sadece niceliksel bilgi üretmek.
Çeşitli kimyasal yöntemler LOC tahmini için kullanılabilir. organik karbon sulu ekstraksiyon gerçekleştirmek için nispeten kolaydır, ve yöntemler genellikle kolayca tekrarlanabilir sonuçlar sağlamaktadır. Bununla birlikte, bu ekstraksiyon mikroorganizmalar 15 için uygun alt-tabakaların bütün spektrumunu içermez. Toprağın organik C kimyasal fraksiyon için çeşitli oksidasyon yöntemleri geliştirilmiştir. Oksidasyon yöntemleri miktarı ve kararsız organik C kalitesini karakterize avantajına sahiptirBazı yöntemler tehlikeli kimyasallarla çalışma gerektirir ve sonuçların 15 tekrarlanabilirlik yöntemler arasında değişkenlik olmasına rağmen. Asit hidroliz ekstraksiyon yöntemi miktarı ve LOC kalitesini ölçmek kimyasal fraksiyonasyon prosedürünün başka bir türüdür, ancak bu yöntemin sonuçları biyolojik özelliklerinin 13,15 yorumunu kolaylaştırmak yoktur.
Toprak LOC yorumlanması için biyokimyasal yöntemler geliştirilmiştir. CO2 solunum deneylerinde mikroorganizmalar tarafından açıklanan olarak kararsız organik Cı ölçülebilir. Bu testler gerçek madeni organik madde tahminleri sağlamak, ancak tipik olarak sadece en kararsız bileşikler deneyleri 15 sırasında mineralize bulunmaktadır. Tütsüleme-inkübasyon 16 ve tütsüleme-çıkarma 17 ile ölçülen toprak mikrobiyal biyokütle C LOC ilgili çıkarımlarda geliştirmek için kullanılır olmuştur. Ancak, bu işlemler mikrobiyal biyokütle ziyade LO C tahminleri sağlamakC. Her iki fumigasyon işlemleri Mikrobiyalbiyokütle C belirlemek olmayan fumigated topraktan değerler çıkarılmak içerir, ancak değerler olmayan fumigated toprak çıkarma olmaksızın elde ileri mikrobiyal biyokütle 18 ilave olarak C olarak kararsız organik fraksiyonlar bir ölçüsünü temin edilmiştir .
LOC ölçmek için sıralı tütsüleme-inkübasyon (SFI) prosedürü 13 toprak mikrobiyal biyokütle C ölçümü için tütsüleme kuluçka prosedürü 16 uyarlanan bir biyokimyasal bir yöntemdir. SFI yöntemi LOC tahmin diğer yöntemlere göre bazı avantajları vardır. yöntem için kavramsal bir baz LOC mikrobiyal büyümeyi düzenleyen mikrobik parçalanabilir C ve LOC fiziksel olarak erişilebilir ve toprak mikroorganizmaları tarafından kimyasal olarak bozunabilir olmasıdır. tarla koşullarında, mikrobiyal büyüme tipik olarak karbon kullanılabilirlik, besin durumu, mevcut gözenek alanı ve / veya avlanma ile sınırlıdır. Bu faktörler, yaklaşık elimi olanmikrobiyal büyüme için engelsiz koşullar yaratarak, fümigasyon ile düzensizlikler. Resim besin yöntemin inkübasyon süresi boyunca kaldırılır. Birden fazla fümigasyon ve inkübasyon döngüleri boyunca, mikrobiyal büyüme C miktarı ve kalitesi (oynaklığı) 13 ile sınırlı olur. İnkübasyon döngüleri sırasında biriken CO 2 solunuma basit bir negatif üstel modeli 11,13,19 ile LOC tahmin etmek için kullanılır. SFI yöntemi aynı anda konsantrasyonları ve LOC 11 potansiyel devir hızı tahmin çoğu diğer LOC yöntemlerine göre avantajı vardır, böylece potansiyel C devir hızı da, üstel modelin eğimi elde edilebilir. Örneğin 14 ° C olarak izleyiciler 13 kullanıldığı takdirde diğer yöntemler için, LOC potansiyel ciro oranlarına ilişkin bilgiler, sadece tespit edilebilir. SFI Dolayısıyla bu yöntem LOC ve potansiyel devinimlerinin hem ölçümlerini elde etmek için nispeten basit ve pahalı olmayan bir tekniktir.
Protocol
Representative Results
Discussion
The SFI method is an effective protocol for detecting differences in soil LOC and potential C turnover rates over a range of management practices (such as fertilization, tillage, vegetation control, and harvest practices) and soil conditions. Soil LOC content and C turnover rate can be used to understand alterations of nutrient cycles. The SFI method also provides measurement of microbial biomass C from the first fumigation-incubation event. The ability to measure soil LOC, C turnover, and microbial biomass C concurrentl…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors gratefully acknowledge Michelle Gonzales, Kenny Kidd, Brad Osbon, and all other personnel that conducted the laboratory procedures for these data. The authors are thankful for assistance from Andrew Scott in developing software coding to conduct model-fitting procedures. The authors also appreciate the funding from the U.S. Department of Agriculture National Institute of Food and Agriculture, Sustainable Agriculture and Research & Education, Sun Grant South Central region, and the National Council of Air and Stream Improvement that made possible the studies from which representative results provided in this paper were drawn.
Materials
| Soil auger sampling kit | JMC | PN039 | Several other manufacturers of punch augers are available |
| Parafilm | Curwood | PM999 | |
| Aluminum weighing boats | Fisherbrand | 08-732-103 | |
| General purpose drying oven | Fisher Scientific | 15-103-0511 | Many other manufacturers of general purpose laboratory ovens are available |
| 10.5 L vacuum desiccator | Corning | 3121-250 | |
| Glass scintillation vial | Wheaton | 968560 | |
| Glass threaded vials, 41 mL | Fisherbrand | 03-339-21N | |
| Chloroform, stabilized with amylenes | Sigma-Aldrich | 67-66-3 | |
| Boiling chips | Fisher Scientific | S25201 | |
| Glass rod | Fisherbrand | S63449 | |
| Size 10 rubber stopper | Fisherbrand | 14-130P | Rubber stoppers can be purchased as solid and drilled in center to install glass rod or bought with a hole to insert glass rod |
| Wide-mouth PPCO bottle, 0.5 L | ThermoScientific | 3121050016 | |
| Sodium hydroxide, reagent grade | Sigma-Aldrich | S5881 | |
| Barium chloride | Sigma-Aldrich | 202738 | |
| Phenolphthalein indicator | Fisher Scientific | S25466 | |
| Hydrochloric acid solution, 0.1 N | Fisher Scientific | SA54-4 |
Referências
- Blair, G., et al. Soil carbon fractions based on their degree of oxidation, and the development of a carbon management index for agricultural systems. Aust. J. Agric. Res. 46, 1459-1466 (1995).
- Schimel, D. S., et al. Soil organic matter dynamics in paired rangeland and cropland toposequences in North Dakota. Geoderma. 36, 201-214 (1985).
- Parton, W. J., et al. Analysis of factors controlling soil organic matter levels in great-plains grasslands. Soil Sci. Soc. Am. J. 51, 1173-1179 (1987).
- Wu, H., et al. Labile organic C and N mineralization of soil aggregate size classes in semiarid grasslands as affected by grazing management. Biol. Fertil. Soils. 48, 305-313 (2011).
- Jones, D. L., et al. Plant and mycorrhizal regulation of rhizodeposition. New Phytol. 163, 459-480 (2004).
- Harrison, K. G., et al. The effect of changing land use of soil radiocarbon. Science. 262, 725-726 (1993).
- Jinbo, Z., et al. Land use effects on the distribution of labile organic carbon fractions through soil profiles. Soil Sci Soc. Am. J. 70, 660-667 (2006).
- Whalen, J. K., et al. Carbon and nitrogen mineralization from light- and heavy-fraction additions to soil. Soil Biol Biochem. 32, 1345-1352 (2000).
- Gregorich, E. G., et al. Towards a minimum data set to assess soil organic matter quality in agricultural soils. Can. J. Soil Sci. 74, 367-385 (1994).
- Hamer, U., et al. Priming effects in different soil types induced by fructose, alanine, oxalic acid and catechol additions. Soil Biol. Biochem. 37, 445-454 (2005).
- Feng, W., et al. Shifting sources of soil labile organic carbon after termination of plant carbon inputs in a subtropical moist forest of southwest China. Ecol. Res. 26, 437-444 (2011).
- Tisdall, J. M., Carter, M. R., Stewart, B. A. Formation of soil aggregates and accumulation of soil organic matter. Structure and Organic Matter Storage in Agricultural Soils. , 57-96 (1996).
- Zou, X. M., et al. Estimating soil labile organic carbon and potential turnover rates using a sequential fumigation-incubation procedure. Soil Biol. Biochem. 37, 1923-1928 (2005).
- Cambardella, C. A., Elliott, E. T. Particulate soil organic matter changes across a grassland cultivation sequence. Soil Sci. Soc. Am. J. 56, 777-783 (1992).
- Strosser, E. Methods for determination of labile soil organic matter: an overview. J. Agrobiol. 27, 49-60 (2010).
- Jenkinson, D. A., Powlson, D. S. The effects of biocidal treatment on metabolism in soil V: a method for measuring soil biomass. Soil Biol. Biochem. 8, 209-213 (1976).
- Vance, E. D., et al. An extraction method for measuring soil microbial biomass C. Soil Biol. Biochem. 19, 703-707 (1987).
- De-Polli, H., et al. Chloroform fumigation-extraction labile C pool (microbial biomass C "plus") shows high correlation to microbial biomass C in Argentinian and Brazilian soils. Cienc. Suelo. 25, 15-22 (2007).
- Olson, J. S. Energy storage and the balance of producers and decomposers in ecological systems. Ecology. 44, 322-331 (1963).
- Pennock, D., Carter, M. R., Gregorich, E. G., et al. Chapter 1, Unit 1, Soil sampling designs. Soil Sampling and Methods of Analysis. , (2008).
- Luizao, R. C. C., et al. Seasonal variation of soil microbial biomass: the effects of clearfelling a tropical rainforest and establishment of pasture in the central Amazon. Soil Biol. Biochem. 24, 805-813 (1992).
- Horwath, W. R., Paul, E. A., Weaver, R. W., et al. Microbial biomass. Methods of soil analysis part 2: microbiological and biochemical properties. , 753-773 (1994).
- Jenkinson, D. S., Ladd, J. N., Paul, E. A., Ladd, J. N. Microbial biomass in soil: measurement and turnover. Soil Biochemistry. , 415-471 (1981).
- Blazier, M. A., Gungor, E. B. O., et al. Poultry litter fertilization impacts on soil, plant, and water characteristics in loblolly pine (Pinus taeda L.) plantations and silvopastures in the mid-South USA. Principles, application, and assessment in soil science. , 43-74 (2011).
- Blazier, M. A., et al. Straw harvesting, fertilization, and fertilizer type alter soil biophysical properties in a loblolly pine plantation in the mid-South USA. Biol. Fertil. Soils. 45, 145-153 (2008).
- Blazier, M. A., et al. Loblolly pine age and density affects switchgrass growth and soil carbon in an agroforestry system. For. Sci. 58, 485-496 (2012).
- Blazier, M. A., et al. Nitrogen and carbon of switchgrass, loblolly pine, and cottonwood biofuel production systems in the Southeast United States. For. Sci. 61, 522-534 (2015).
- Zhang, M., et al. Decomposition differences of labile carbon from litter to soil in a tropical rain forest and rubber plantation of Xishuagbanna, southwest China. Eur. J. Soil Biol. 55, 55-61 (2013).
- Nelson, D. W., Sommers, L. E., Sparks, D., et al. Total carbon, organic carbon, and organic matter. Methods of soil analysis. Part 3: chemical methods. , 961-1090 (1996).
- Huang, L., et al. Correlation among soil microorganisms, soil enzyme activities, and removal rates of pollutants in three constructed wetlands purifying micro-polluted river water. Soil Biol. Biochem. 70, 221-228 (2012).
- Kong, L., et al. Enzyme and root activities in surface-flow constructed wetlands. Chemosphere. 76, 601-608 (2009).
- Cui, L., et al. Evaluation of nutrient removal efficiency and microbial enzyme activity in a baffled subsurface-flow constructed wetland system. Bioresour. Technol. 146, 656-662 (2013).
- Jenkinson, D. S., Wilson, J. R. Determination of microbial biomass carbon and nitrogen in soil. Advances in nitrogen cycling in agricultural ecosystems. , 368-386 (1988).
- Sparling, G. P., et al. Interference from plant roots in the estimation of soil microbial ATP, C, N, and P. Soil Biol. Biochem. 17, 275-278 (1985).
- Christie, P., Beatte, J. A. M. Significance of sample size in measurement of soil microbial biomass by the chloroform fumigation-incubation method. Soil Biol. Biochem. 19, 149-152 (1987).
- McLaughlin, K. K., Hobbie, S. E. Comparison of labile soil organic matter fractionation techniques. Soil Sci. Soc. Am. J. 68, 1616-1625 (2004).
- Xia, X., et al. Variation of soil labile organic carbon pools along an elevational gradient in the Wuyi Mountains, China. J. Resour. Ecol. 1, 368-374 (2010).
