Brug af jordtæthedsfraktionering til at adskille forskellige kulstofpuljer i jorden

Summary

Jordtæthedsfraktionering adskiller jordens organiske materiale i forskellige puljer med forskellige stabiliseringsmekanismer, kemikalier og omsætningstider. Natriumpolytungstatopløsninger med specifikke densiteter tillader adskillelse af frie partikler i organisk materiale og mineralassocieret organisk materiale, hvilket resulterer i organiske stoffraktioner, der er egnede til at beskrive jordens reaktion på forvaltning og klimaændringer.

Abstract

Organisk materiale i jord (SOM) er en kompliceret blanding af forskellige forbindelser, der spænder over området fra frie, delvist nedbrudte plantekomponenter til mere mikrobielt ændrede forbindelser i jordaggregaterne til stærkt forarbejdede mikrobielle biprodukter med stærke forbindelser med reaktive jordmineraler. Jordforskere har kæmpet for at finde måder at adskille jord i fraktioner, der er let målbare og nyttige til jordkulstof (C) modellering. Fraktionering af jord baseret på densitet anvendes i stigende grad, og det er let at udføre og giver C-puljer baseret på graden af tilknytning mellem SOM og forskellige mineraler; således kan jordtæthedsfraktionering bidrage til at karakterisere SOM og identificere SOM-stabiliseringsmekanismer. De rapporterede jordtæthedsfraktioneringsprotokoller varierer imidlertid betydeligt, hvilket gør resultaterne fra forskellige undersøgelser og økosystemer vanskelige at sammenligne. Her beskriver vi en robust densitetsfraktioneringsprocedure, der adskiller partikler og mineralassocieret organisk materiale og forklarer fordele og ulemper ved at adskille jord i to, tre eller flere densitetsfraktioner. Sådanne fraktioner adskiller sig ofte i deres kemiske og mineralske sammensætning, omsætningstid og grad af mikrobiel behandling samt graden af mineralstabilisering.

Introduction

Jord er det største lager af jordbaseret kulstof (C), der indeholder op mod 1.500 Pg C i top 1 m og næsten dobbelt så meget i dybere niveauer globalt, hvilket betyder, at jord indeholder mere C end plantebiomasse og atmosfæren kombineret¹. Jordens organiske materiale (SOM) tilbageholder vand og jordens næringsstoffer og er afgørende for planteproduktiviteten og det terrestriske økosystems funktion. På trods af global anerkendelse af betydningen af tilstrækkelige SOM-lagre for jordens sundhed og landbrugets produktivitet er jordbundens C-lagre blevet væsentligt udtømt på grund af ikkebæredygtig skov- og landbrugsforvaltning, landskabsændringer og klimaopvarmning ^2,3. Øget interesse for at genoprette jordens sundhed og for at bruge jord C-retention som en nøgleaktør i naturlige klimaløsninger har ført til bestræbelser på at forstå de faktorer, der styrer jordens C-binding og stabilisering i forskellige miljøer ^4,5.

Organisk materiale i jord (SOM) er en kompliceret blanding af forskellige forbindelser, der spænder over området fra frie, delvist nedbrudte plantekomponenter til mere mikrobielt ændrede forbindelser i jordaggregaterne (her defineret som et materiale dannet ved kombinationen af separate enheder eller genstande) til stærkt forarbejdede mikrobielle biprodukter med stærke forbindelser med reaktive jordmineraler⁶ . I tilfælde, hvor det er upraktisk at identificere hele pakken af individuelle forbindelser i SOM, fokuserer efterforskere ofte på at identificere et mindre antal funktionelle puljer af C, der eksisterer som fysiske realiteter, og som varierer efter omsætningshastigheder, generel kemisk sammensætning og graden af stabilisering med jordens mineralkomponenter^{1, 7}. For at puljer kan fortolkes og modelleres kritisk, er det vigtigt, at de adskilte puljer er små i antal, er direkte målbare snarere end blot teoretiske og udviser klare forskelle i sammensætning og reaktivitet⁸.

Mange forskellige teknikker, både kemiske og fysiske, er blevet anvendt til at isolere meningsfulde puljer af jord C, og disse er godt opsummeret af von Lützow et ^al.9 og Poeplau et ^al.10. Kemiske ekstraktionsteknikker sigter mod at isolere specifikke puljer, såsom C forbundet med enten dårligt krystallinsk eller krystallinsk Fe og^Al11. Organiske opløsningsmidler er blevet anvendt til at ekstrahere specifikke forbindelser såsom lipider¹², og enten hydrolyse eller oxidation af SOM er blevet anvendt som et mål for en labil pool på C^13,14. Imidlertid kategoriserer ingen af disse ekstraktionsmetoder alle puljer af C i målbare eller modellerbare fraktioner. Den fysiske fraktionering af jord kategoriserer al jord C i puljer baseret på størrelse og antager, at nedbrydning af planteaffald resulterer i fragmentering og stadig mindre partikler. Selvom størrelse alene ikke kan adskille frit planteaffald fra mineralassocieret SOM¹⁵, er kvantificering af disse to puljer afgørende for forståelsen af jord-C-stabilisering på grund af fælles rumlige, fysiske og biogeokemiske forskelle i dannelse og omsætning¹⁶.

Fraktioneringen af jord C baseret på densitet anvendes i stigende grad, og den er let at udføre og identificerer forskellige puljer af C baseret på graden af tilknytning til forskellige mineraler^17,18,19; således kan jordtæthedsfraktionering hjælpe med at belyse forskellige jord C-stabiliseringsmekanismer. Det primære krav til jord, der skal fraktioneres, er evnen til fuldt ud at sprede de organiske og mineralske partikler. Når det er dispergeret, flyder nedbrudt organisk materiale, der er relativt fri for mineraler, i opløsninger, der er lettere end ~ 1,85 g / cm 3, mens mineraler typisk falder i området 2-4,5 g / cm 3, selvom jernoxider kan have tætheder op til 5,3 g / cm³. Den lette eller frie partikelfraktion har tendens til at have kortere omsætningstid (medmindre der er betydelig forurening med trækul) og har vist sig at være meget lydhør over for dyrkning og andre forstyrrelser. Den tunge (>1,85 g/^cm3) eller mineralassocierede fraktion har ofte en længere omsætningstid på grund af modstanden mod mikrobielt medieret nedbrydning, der opnås, når organiske molekyler binder med reaktive mineraloverflader. Imidlertid kan den tunge fraktion mætte (dvs. nå en øvre grænse for mineralkompleksationskapacitet), mens den lette fraktion teoretisk kan akkumulere næsten på ubestemt tid. Forståelse af den fysiske fordeling af organisk materiale i puljer af mineralassocieret versus partikelformet organisk materiale hjælper således med at belyse, hvilke økosystemer der kan forvaltes for effektiv kulstofbinding, og hvordan forskellige systemer vil reagere på klimaændringer og skiftende mønstre af menneskeskabte forstyrrelser²⁰.

Mens brugen af densitetsfraktionering ved hjælp af opløsninger af natriumpolytungstat ved forskellige tætheder er steget kraftigt i det sidste årti, varierer teknikkerne og protokollerne betydeligt, hvilket gør resultaterne fra forskellige undersøgelser og forskellige økosystemer vanskelige at sammenligne. Selvom en massefylde på 1,85 g/cm3 har vist sig at genvinde den største mængde frit lysfraktion med minimal inklusion af mineralassocieret organisk stof (MAOM)¹⁷, har mange undersøgelser brugt tætheder fra 1,65-2,0 g/^cm3. Mens de fleste undersøgelser har fraktioneret jord i kun to puljer (en let fraktion og en tung fraktion, herefter LF og HF), har andre undersøgelser brugt flere tætheder til yderligere at forfine den tunge fraktion i puljer, der adskiller sig fra de mineraler, de er forbundet med, det relative forhold mellem mineraler og organisk belægning eller graden af aggregering (f.eks. Sollins et al.17, Sollins et ^al.18, Hatton et al.21, Lajtha et al.22, Yeasmin et al.23, Wagai et al.24, Volk et ^al.25). Derudover er der foreslået mere komplekse fraktioneringsprocedurer, der kombinerer både størrelse og densitetsadskillelse, hvilket resulterer i et større antal puljer (f.eks. Yonekura et al.26, Virto et ^al.27, Moni et al.15, Poeplau et ^al.10), men også mere plads til fejl, både i metoden og i forhold til poolstørrelsen. Desuden har forfattere også brugt sonikering ved forskellige intensiteter og tidspunkter i et forsøg på at sprede aggregater og MAOM fra mineraloverflader^28,29,30.

Her beskriver vi en robust densitetsfraktioneringsprocedure, der først identificerer to unikke puljer af kulstof i jorden (LF og HF eller POM og MAOM), og vi tilbyder både teknikkerne og argumenterne for yderligere at adskille HF-puljen i yderligere fraktioner, der adskiller sig baseret på deres mineralogi, grad af organisk belægning eller aggregering. De fraktioner, der er identificeret her, har vist sig at afvige med hensyn til deres kemiske sammensætning, omsætningstid, grad af mikrobiel forarbejdning og grad af mineralstabilisering^18,19.

Følgende procedure adskiller bulkjord i partikler organisk stof (POM) og mineralassocieret organisk materiale (MAOM) ved at blande en kendt mængde jord i en opløsning med en specifik densitet. Procedurens effektivitet måles ved den kombinerede genvinding af jordmasse og kulstof i forhold til den oprindelige jordprøvemasse og C-indhold. En tæt opløsning opnås ved at opløse natriumpolywolframat (SPT) i deioniseret vand. Jorden blandes oprindeligt med den tætte SPT-opløsning og omrøres for grundigt at blande og sprede jordaggregaterne. Centrifugering bruges derefter til at adskille jordmaterialerne, der enten flyder (let fraktion) eller synker (tung fraktion) i opløsningen. Blandings-, isolerings-, genvindings- og vasketrinnene gentages flere gange for at sikre adskillelse af de lette og tunge fraktioner sammen med fjernelse af SPT fra materialet. Endelig tørres, vejes og analyseres jordfraktionerne for C-indhold. Det fraktionerede materiale kan anvendes til efterfølgende procedurer og analyser.

Protocol

1. Fremstilling af stamopløsninger af natriumpolywolframat (SPT) FORSIGTIG: SPT er irriterende og er skadeligt ved indtagelse eller indånding. Det er giftigt for organismer, der lever i vand; Undgå udslip i miljøet. For at fremstille 1 liter SPT-opløsning med en densitet på 1,85 g/cm3 opløses 1.051 g krystalliseret SPT i ca. 600 ml deioniseret destilleret vand (DDI). Opløsningen omrøres, indtil SPT er helt opløst, ca. i 15 minutter, og bring dere…

Representative Results

Fraktionering af jordtæthed er ideel til at undersøge, hvordan jordbunden adskiller sig i deres indhold af partikler og mineralrelaterede organiske stoffer. Adskillelse af SOC i disse to forskellige puljer giver en mulighed for at belyse ændringerne i jordens C-indhold og stabiliseringsdynamik, der ellers kan være uklare, når man observerer tendenser i bulkjord C-indhold. Den yderligere adskillelse af det tunge materiale (massefylde >1,85 g/cm3) giver yderligere indsigt i ændringer og tendenser i stabili…

Discussion

I hele jordtæthedsfraktioneringsprotokollen er der et par specifikke procedurer, der skal overvåges nøje for at hjælpe med at reducere fejl i adskillelsen og analysen af jordfraktionerne. Et kritisk trin i jorddensitetsfraktioneringsproceduren er gentagne gange at verificere densiteten af SPT-opløsningen. Fugt i jordprøven vil ofte fortynde SPT-opløsningen og dermed sænke densiteten af SPT. Derfor skal forskeren altid sikre, at der er opnået fuldstændig adskillelse af de lette og tunge opløsninger efter centri…

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