ניצול שבירת צפיפות הקרקע להפרדת בריכות פחמן נפרדות בקרקע

Summary

שבירת צפיפות הקרקע מפרידה את החומר האורגני של הקרקע לבריכות נפרדות בעלות מנגנוני ייצוב, כימיה וזמני תחלופה שונים. פתרונות פוליטונגסטייט נתרן עם צפיפויות ספציפיות מאפשרים הפרדה של חומר אורגני חלקיקי חופשי וחומר אורגני הקשור למינרלים, וכתוצאה מכך שברי חומר אורגני המתאימים לתיאור תגובת הקרקע לניהול ושינויי אקלים.

Abstract

חומר אורגני בקרקע (SOM) הוא תערובת מורכבת של תרכובות שונות המשתרעות על פני הטווח שבין רכיבים צמחיים חופשיים ומפורקים חלקית, דרך תרכובות שעברו שינוי מיקרוביאלי המוחזק בצברי הקרקע ועד תוצרי לוואי מיקרוביאליים מעובדים מאוד עם קשרים חזקים עם מינרלים תגובתיים בקרקע. מדעני קרקע נאבקו למצוא דרכים להפריד את הקרקע לשברים הניתנים למדידה בקלות ושימושיים למידול פחמן בקרקע (C). הפרדת קרקע על בסיס צפיפות נמצאת בשימוש הולך וגובר, והיא קלה לביצוע ומניבה בריכות C על פי מידת הקשר בין ה- SOM למינרלים שונים; לפיכך, שבירת צפיפות הקרקע יכולה לסייע באפיון ה- SOM ובזיהוי מנגנוני ייצוב SOM. עם זאת, פרוטוקולי שבירת צפיפות הקרקע המדווחים משתנים באופן משמעותי, מה שהופך את התוצאות ממחקרים ומערכות אקולוגיות שונות לקשות להשוואה. כאן, אנו מתארים הליך שבר צפיפות חזק המפריד חלקיקים וחומר אורגני הקשור למינרלים ומסבירים את היתרונות והחסרונות של הפרדת הקרקע לשניים, שלושה או יותר שברי צפיפות. שברים כאלה נבדלים לעתים קרובות בהרכב הכימי והמינרלי שלהם, בזמן התחלופה ובמידת העיבוד המיקרוביאלי, כמו גם במידת הייצוב המינרלי.

Introduction

הקרקע היא המאגר הגדול ביותר של פחמן יבשתי (C), המכיל למעלה מ -1,500 Pg של C ב -1 מ ‘העליון וכמעט כפול כמות זו ברמות עמוקות יותר בעולם, כלומר הקרקע מכילה יותר C מאשר ביומסה צמחית והאטמוספרה יחד¹. חומר אורגני בקרקע (SOM) שומר על חומרי הזנה של מים וקרקע והוא חיוני לפריון הצמח ולתפקוד המערכת האקולוגית היבשתית. למרות ההכרה העולמית בחשיבותם של מלאי SOM הולם לבריאות הקרקע ולפרודוקטיביות החקלאית, מלאי קרקע C הידלדל באופן משמעותי עקב ניהול יערות וחקלאות שאינו בר קיימא, שינויי נוף והתחממות אקלים ^2,3. העניין הגובר בשיקום בריאות הקרקע ובשימוש בשימור קרקע C כשחקן מפתח בפתרונות אקלים טבעיים הוביל למאמצים להבין את הגורמים השולטים בתפיסת וייצוב קרקע C בסביבות מגוונות ^4,5.

חומר אורגני בקרקע (SOM) הוא תערובת מורכבת של תרכובות שונות המשתרעות על פני הטווח שבין רכיבים צמחיים חופשיים ומפורקים חלקית, דרך תרכובות שהשתנו מיקרוביאלית יותר המוחזקות בצברי הקרקע (המוגדרים כאן כחומר שנוצר על ידי שילוב של יחידות או פריטים נפרדים) ועד תוצרי לוואי מיקרוביאליים מעובדים מאוד עם קשרים חזקים עם מינרלים תגובתיים^{בקרקע 6} . במקרים בהם אין זה מעשי לזהות את החבילה המלאה של תרכובות בודדות ב- SOM, החוקרים מתמקדים לעתים קרובות בזיהוי מספר קטן יותר של מאגרים פונקציונליים של C הקיימים כמציאות פיזיקלית ומשתנים לפי שיעורי מחזור, הרכב כימי כללי ומידת הייצוב עם המרכיבים המינרליים של הקרקע^{1, 7}. על מנת שניתן יהיה לפרש ולעצב את הבריכות באופן ביקורתי, חיוני שהבריכות המופרדות יהיו קטנות במספרן, יהיו מדידות באופן ישיר ולא רק תיאורטיות, ויציגו הבדלים ברורים בהרכב ובתגובתיות⁸.

טכניקות רבות ושונות, כימיות ופיזיקליות, שימשו לבידוד בריכות משמעותיות של קרקע C, ואלה מסוכמות היטב על ידי פון Lützow et ^al.9 ו Poeplau et ^al.10. טכניקות מיצוי כימיות שואפות לבודד בריכות ספציפיות, כגון C הקשורות ל-Fe גבישי או גבישי גרוע ול-Al¹¹. ממסים אורגניים שימשו למיצוי תרכובות ספציפיות כגון שומנים¹², וההידרוליזה או החמצון של SOM שימשו כמדד לבריכה של C^13,14. עם זאת, אף אחת משיטות החילוץ הללו אינה מסווגת את כל המאגרים של C לשברים מדידים או ניתנים למידול. השבר הפיזי של הקרקע מסווג את כל קרקע C לבריכות על פי גודלה ומניח שהפירוק של פסולת צמחים גורם לקיטוע ולחלקיקים קטנים יותר ויותר. אף על פי שהגודל לבדו אינו יכול להפריד פסולת צמחית חופשית מפסולת SOM¹⁵ הקשורה למינרלים, כימות שני המאגרים הללו הוא קריטי להבנת ייצוב הקרקע C עקב הבדלים מרחביים, פיזיקליים וביו-גיאוכימיים נפוצים בהיווצרות ובמחזור¹⁶.

השבר של קרקע C על בסיס צפיפות נמצא בשימוש הולך וגובר, והוא קל לביצוע ומזהה מאגרים שונים של C בהתבסס על מידת הקשר עם מינרלים שונים^17,18,19; לפיכך, שבירת צפיפות הקרקע יכולה לעזור להבהיר מנגנוני ייצוב קרקע C שונים. הדרישה העיקרית להפרדת הקרקע היא היכולת לפזר באופן מלא את החלקיקים האורגניים והמינרליים. לאחר פיזורו, חומר אורגני מפורק שאינו מכיל מינרלים צף בתמיסות קלות יותר מ~1.85 גרם לסמ”ק 3, בעוד שמינרלים בדרך כלל נופלים בטווח של 2-4.5 גרם לס”מ 3, אם כי תחמוצות ברזל עשויות להיות צפופות של עד 5.3 גרם לסמ”ק³. למקטע החלקיקים הקלים או החופשיים יש זמן תחלופה קצר יותר (אלא אם כן יש זיהום משמעותי על ידי פחם) והוכח כבעל תגובה גבוהה לגידול ולהפרעות אחרות. לחלק הכבד (>1.85 גרם^לסמ”ק 3) או הקשור למינרלים יש לעתים קרובות זמן תחלופה ארוך יותר בשל העמידות לפירוק בתיווך מיקרוביאלי המושג כאשר מולקולות אורגניות נקשרות למשטחים מינרליים תגובתיים. עם זאת, החלק הכבד עשוי להרוות (כלומר, להגיע לגבול העליון של קיבולת מורכבות מינרלים), בעוד שהחלק הקל יכול תיאורטית להצטבר כמעט ללא הגבלת זמן. לפיכך, הבנת ההתפלגות הפיזית של חומר אורגני במאגרים של חומר אורגני הקשור למינרלים לעומת חלקיקים מסייעת להבהיר אילו מערכות אקולוגיות ניתן לנהל לקיבוע פחמן יעיל וכיצד מערכות שונות יגיבו לשינויי אקלים ולדפוסים משתנים של הפרעה אנתרופוגנית²⁰.

בעוד שהשימוש בשבר צפיפות באמצעות תמיסות של פוליטונגסטייט נתרן בצפיפויות שונות גדל מאוד בעשור האחרון, הטכניקות והפרוטוקולים משתנים באופן משמעותי, מה שהופך את התוצאות ממחקרים שונים ומערכות אקולוגיות שונות לקשות להשוואה. למרות שצפיפות של 1.85 גרם לסמ”ק 3 הוכחה כמשחזרת את הכמות הגדולה ביותר של חלק אור חופשי עם הכללה מינימלית של חומר אורגני הקשור למינרלים (MAOM)¹⁷, מחקרים רבים השתמשו בצפיפויות שנעות בין 1.65-2.0 גרם לס”מ³. בעוד שרוב המחקרים חילקו קרקעות לשתי בריכות בלבד (חלק קל ושבר כבד, להלן LF ו-HF), מחקרים אחרים השתמשו בצפיפויות מרובות כדי לזקק עוד יותר את החלק הכבד לבריכות הנבדלות זו מזו במינרלים שהם קשורים אליהם, ביחס היחסי בין מינרלים לציפוי אורגני, או במידת הצבירה (למשל, 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). בנוסף, הוצעו הליכי שבירה מורכבים יותר המשלבים הפרדת גודל וצפיפות כאחד, וכתוצאה מכך מספר גדול יותר של בריכות (למשל, Yonekura et al.26, Virto et ^al.27, Moni et al.15, Poeplau et ^al.10) אך גם יותר מקום לטעויות, הן במתודולוגיה והן ביחס לגודל הבריכה. יתר על כן, המחברים השתמשו גם בסוניקציה בעוצמות ובזמנים שונים במאמץ לפזר אגרגטים ו- MAOM ממשטחים מינרליים^28,29,30.

כאן, אנו מתארים הליך שבר צפיפות חזקה המזהה, ראשית, שני מאגרים ייחודיים של פחמן קרקע (LF ו- HF, או POM ו- MAOM), ואנו מציעים הן את הטכניקות והן את הטיעונים כדי להפריד עוד יותר את מאגר HF לשברים נוספים הנבדלים זה מזה בהתבסס על המינרלוגיה שלהם, מידת הציפוי האורגני או הצבירה שלהם. השברים שזוהו כאן הוכחו כשונים מבחינת הרכבם הכימי, זמן התחלופה שלהם, מידת העיבוד המיקרוביאלי ומידת ייצוב המינרלים^18,19.

ההליך הבא מפריד קרקע בתפזורת לחומר אורגני חלקיקי (POM) ולחומר אורגני הקשור למינרלים (MAOM) על ידי ערבוב כמות ידועה של קרקע בתמיסה בעלת צפיפות מסוימת. יעילות ההליך נמדדת על ידי התאוששות משולבת של מסת קרקע ופחמן ביחס למסת דגימת הקרקע הראשונית ותכולת C. תמיסה צפופה מושגת על ידי המסת נתרן polytungstate (SPT) במים deionized. הקרקע מעורבבת בתחילה עם תמיסת SPT צפופה ונסערת כדי לערבב ולפזר היטב את אגרגטי הקרקע. לאחר מכן משתמשים בצנטריפוגה כדי להפריד את חומרי הקרקע שצפים (חלק קל) או שוקעים (שבר כבד) בתמיסה. שלבי הערבוב, הבידוד, ההתאוששות והשטיפה חוזרים על עצמם מספר פעמים כדי להבטיח את הפרדת השברים הקלים והכבדים, יחד עם הסרת SPT מהחומר. לבסוף, שברי הקרקע מיובשים, נשקלים ומנותחים עבור תוכן C. החומר המופרד עשוי לשמש להליכים ולניתוחים הבאים.

Protocol

1. ביצוע פתרונות מלאי של polytungstate נתרן (SPT) אזהרה: SPT הוא חומר מגרה ומזיק בבליעה או בשאיפה. הוא רעיל לאורגניזמים ימיים; הימנעו משחרורו לסביבה. כדי לייצר 1 ליטר של תמיסת SPT בצפיפות של 1.85 גרם/ס”מ3, יש להמיס 1,051 גרם של SPT גבישי בכ-600 מ”ל של מים מזוקקים דה-יוניים (DDI). ערב…

Representative Results

שבירת צפיפות הקרקע מתאימה באופן אידיאלי לחקר ההבדל בין קרקעות בתכולת החומר האורגני הקשור לחלקיקים ולמינרלים. הפרדת ה-SOC לשתי בריכות נפרדות אלה מספקת דרך להבהיר את השינויים בתכולת הקרקע C ובדינמיקת הייצוב שאחרת עשויים להיות לא ברורים כאשר מתבוננים במגמות בתכולת קרקע C בתפזורת. ההפרדה הנוס?…

Discussion

לאורך פרוטוקול שבירת צפיפות הקרקע, ישנם מספר נהלים ספציפיים שיש לעקוב אחריהם מקרוב כדי לסייע בהפחתת טעויות בהפרדה ובניתוח של שברי הקרקע. שלב קריטי בהליך שבירת צפיפות הקרקע הוא לוודא שוב ושוב את צפיפות תמיסת SPT. לחות בדגימת הקרקע לעיתים קרובות תדלל את תמיסת ה-SPT, ובכך תוריד את צפיפות ה-SPT. לכן…

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