Elektrostatisk metod för att avlägsna partiklar organiskt material från jord

Summary

Om man tar bort nyligen deponerat och ofullständigt sönderdelas växtmaterial från jordprover minskar påverkan av tillfälliga säsongsindata på mätningar av organiskt kol i marken. Attraktion till en elektrostatiskt laddad yta kan användas för att snabbt ta bort en betydande mängd partiklar organiskt material.

Abstract

Uppskattningar av organiskt kol i marken är beroende av markbearbetningsmetoder, inklusive avlägsnande av odecomposerat växtmaterial. Otillräcklig separation av rötter och växtmaterial från jord kan resultera i mycket varierande kolmätningar. Metoder för att ta bort växtmaterialet är ofta begränsade till de största, mest synliga växtmaterialen. I detta manuskript beskriver vi hur elektrostatisk attraktion kan användas för att ta bort växtmaterial från ett jordprov. En elektrostatiskt laddad yta som förs nära torr jord lockar naturligt både odekompilerade och delvis sönderdelas växtpartiklar, tillsammans med en liten mängd mineral och aggregerad jord. Jordprovet sprids i ett tunt lager på en plan yta eller en jordsikt. En petriskål i plast eller glas laddas elektrostatiskt genom gnuggning med polystyrenskum eller nylon- eller bomullsduk. Den laddade skålen skickas upprepade gånger över jorden. Skålen borstas sedan ren och laddas. Att åter sprida jorden och upprepa proceduren resulterar så småningom i ett minskande utbyte av partiklar. Processen tar bort cirka 1 till 5% av jordprovet och cirka 2 till 3 gånger den andelen i organiskt kol. Liksom andra partikelborttagningsmetoder är slutpunkten godtycklig och inte alla fria partiklar tas bort. Processen tar cirka 5 minuter och kräver inte en kemisk process liksom densitetsflotationsmetoder. Elektrostatisk attraktion avlägsnar konsekvent material med högre än genomsnittlig C-koncentration och C:N-förhållande, och mycket av materialet kan visuellt identifieras som växt- eller faunamaterial under ett mikroskop.

Introduction

Noggranna uppskattningar av organiskt kol i marken (SOC) är viktiga för att utvärdera förändringar till följd av jordbruksförvaltning eller miljö. Partikel organiskt material (POM) har viktiga funktioner i en jords ekologi och fysik men det är ofta kortlivat och varierar baserat på flera faktorer inklusive säsong, fuktförhållanden, luftning, provsamlingsteknik, nyligen jordförvaltning, vegetationens livscykel och andra¹. Dessa tidsmässigt instabila källor kan förvirra uppskattningar av långsiktiga trender i stabilt och verkligt beslagtagande organiskt kol^{i marken 2}.

Trots att pom är väldefinierat, vanligt och viktigt är det inte lätt att separera från jord och det är inte heller lätt att mäta kvantitativt. Partiklar organiskt material har mätts som det som flyter i vätskor (ljusfraktion, vanligtvis 1,4-2,2 g cm^-3), eller som det som kan separeras efter storlek (t.ex. > 53-250 μm eller > 250 μm), eller en kombination av de^{två 3,4,5}. Både storleksbaserade och densitetsbaserade tekniker kan påverka de kvantitativa och kemiska resultaten av POM-mätning⁴. En noggrann visuell inspektion av jord som har storleksdelats med rutinmetoder avslöjar ofta långa, smala strukturer som rötter och slivers av blad eller stjälk som har passerat genom skärmen. Att helt enkelt ta bort dessa strukturer för hand har visat sig avsevärt minska mätningarna av totalt SOC²,^{6 men}metoden är särskilt föremål för operatörens flit och synskärpa. POM-separation från ett jordprov eftersom ljusfraktionen under flotation i en tät^{vätska 7} inte fångar upp all POM, och överdriven skakning under flytprocessen kan faktiskt minska mängden ljusfraktion som återvinns från ett prov⁸. Flotation kräver många steg och utsätter jorden för kemiska lösningar som kan ändra de kemiska egenskaperna eller lösa upp och ta bort beståndsdelar som kan vara av intresse⁴.

Alternativa metoder för att ta bort POM har använts för att undvika eller öka användningen av täta vattenlösningar. Kirkby, et al.^{6 jämförde} avlägsnande av ljusfraktion med hjälp av två flytprocedurer med en torr siktnings-/winnowingmetod⁹. Winnowing utfördes genom att passera en lätt luftström över ett tunt lager jord för att försiktigt lyfta bort ljuset från den tunga fraktionen. Torr siktning/winnowing utfördes på samma sätt som de två flotationsmetoderna med avseende på C-, N-, P- och S-halten. författarna föreslår dock att torr siktning / winnowing producerade “något renare” jordar⁶. POM har också separerats från jord med hjälp av elektrostatisk^{attraktion 10,11} där organiska partiklar isoleras genom att passera en elektrostatiskt laddad yta ovanför jorden. Den elektrostatiska attraktionsmetoden återhämtade framgångsrikt POM, kallad kurs organiska partiklar, från torkade, siktade (> 0,315 mm) jordar med statistisk repeterbarhet jämförbar med andra metoder för storlek och densitetsfraktion¹⁰.

Här visar vi hur elektrostatisk attraktion kan användas för att ta bort POM av storlekar som sträcker sig från synliga till mikroskopiska. Till skillnad från andra rapporterade metoder tar elektrostatisk attraktion av fin jord också bort en liten del av mineral och aggregerad jord som är synligt som den återstående jorden. Med tanke på våra resultat hittills är det rimligt att anta att avlägsnandet av en liten del av icke-POM-marken inte kommer att ha någon väsentlig effekt på nedströmsanalyserna. Detta antagande bör dock kontrolleras för en viss jord om en stor del av det totala jordprovet tas bort elektrostatiskt. Metoderna och exemplen som gavs här utfördes på silt loam loess jordar från en halv-torr miljö.

Denna metod kanske inte är lämplig för alla jordtyper men har fördelarna med att vara snabb och effektiv när det gäller att ta bort partiklar som är för små för att avlägsna manuellt eller med en luftström. Processhastighet är viktigt för att minska trötthet, säkerställa konsekvens och uppmuntra större replikering för bättre noggrannhet i slutsatserna. Dessutom är förmågan att ta bort mycket små partiklar viktig för att undvika fördomar mot jordar med större snarare än små partikelstorlekar.

Protocol

1. Jordberedning Samla jordprover till önskat djup. Torka jorden noggrant vid 40 °C eller enligt labbspecifika standardprotokoll. Sikta jorden genom jordsiktor av lämplig storlek för att erhålla cirka 10-25 g siktad jord. Många studier använder en 1- eller 2 mm sikt. Mängden jord baseras på den massa som krävs för nedströmsanalyserna och kommer att påverka antalet gånger det elektrostatiska avlägsnandesteget måste upprepas. Placera jorden i en ren, torr metall- eller glasplat…

Representative Results

Resultaten som presenteras här är baserade på analysen av silt loam jordar från jordbruksområden i Nordvästra Stilla havet (Tabell 1). Jordar samlades in till djup av 0-20 cm eller 0-30 cm, torkade vid 40 °C, passerade genom en 2 mm sikt och behandlades med en polystyrenyta laddad med en nylonduk. Mängden jord som elektrostatiskt avlägsnats från ett prov varierade. Omkring 1 till 6% av den totala jordm…

Discussion

Den elektrostatiska attraktionsmetoden var effektiv för att ta bort POM från silt loam jordar. Metoden som beskrivs här skiljer sig något från Kaiser, et al.¹⁰ som använde en kombination av glas/bomull. Vi behandlade alla utom den finaste jordfraktionen och använde polystyren snarare än glas på grund av den triboelektriska skillnaden, som för polystyren/nylon är 100 nC/J jämfört med glas/bomull vid 20 nC/J¹². Glas- och polystyrenskum har visat sig vara effektiv…

Materials

brush, camel-hair
petri dish, glass or plastic
polystyrene foam, cotton or nylon cloth
soil
soil sieves