استخدام تجزئة كثافة التربة لفصل برك الكربون المتميزة في التربة
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.
Protocol
Representative Results
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 م?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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 |
Referências
- 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. Natural climate solutions. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 114 (44), 11645-11650 (2017).
- 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, &. #. 1. 9. 7. ;., 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., Sparks, D. L., Page, A. L., Helmke, P. A., Loeppert, R. H. Total carbon, organic carbon, and organic matter. Methods of Soil Analysis: Part 3 Chemical Methods. , 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).
