अलग-अलग मृदा कार्बन पूल को अलग करने के लिए मृदा घनत्व विभाजन का उपयोग करना

Summary

मृदा घनत्व विभाजन मिट्टी के कार्बनिक पदार्थों को अलग-अलग स्थिरीकरण तंत्र, रसायन विज्ञान और टर्नओवर समय के साथ अलग-अलग पूलों में अलग करता है। विशिष्ट घनत्व वाले सोडियम पॉलीटंगस्टेट समाधान मुक्त कण कार्बनिक पदार्थ और खनिज से जुड़े कार्बनिक पदार्थों को अलग करने की अनुमति देते हैं, जिसके परिणामस्वरूप प्रबंधन और जलवायु परिवर्तन के लिए मिट्टी की प्रतिक्रिया का वर्णन करने के लिए उपयुक्त कार्बनिक पदार्थ अंश होते हैं।

Abstract

मृदा कार्बनिक पदार्थ (एसओएम) विभिन्न यौगिकों का एक जटिल मिश्रण है जो मुक्त, आंशिक रूप से अवक्रमित पौधों के घटकों से लेकर मिट्टी के समुच्चय में रखे गए अधिक माइक्रोबियल रूप से परिवर्तित यौगिकों से लेकर प्रतिक्रियाशील मिट्टी खनिजों के साथ मजबूत संबंधों के साथ अत्यधिक संसाधित माइक्रोबियल उप-उत्पादों तक फैला हुआ है। मृदा वैज्ञानिकों ने मिट्टी को अंशों में अलग करने के तरीकों को खोजने के लिए संघर्ष किया है जो आसानी से मापने योग्य हैं और मिट्टी कार्बन (सी) मॉडलिंग के लिए उपयोगी हैं। घनत्व के आधार पर मिट्टी को विभाजित करना तेजी से उपयोग किया जा रहा है, और एसओएम और विभिन्न खनिजों के बीच सहयोग की डिग्री के आधार पर सी पूल का प्रदर्शन करना और पैदा करना आसान है; इस प्रकार, मिट्टी घनत्व विभाजन एसओएम को चिह्नित करने और एसओएम स्थिरीकरण तंत्र की पहचान करने में मदद कर सकता है। हालांकि, रिपोर्ट किए गए मिट्टी घनत्व विभाजन प्रोटोकॉल काफी भिन्न होते हैं, जिससे विभिन्न अध्ययनों और पारिस्थितिक तंत्रों के परिणामों की तुलना करना मुश्किल हो जाता है। यहां, हम एक मजबूत घनत्व विभाजन प्रक्रिया का वर्णन करते हैं जो कण और खनिज से जुड़े कार्बनिक पदार्थों को अलग करता है और मिट्टी को दो, तीन या अधिक घनत्व अंशों में अलग करने के लाभों और कमियों की व्याख्या करता है। ऐसे अंश अक्सर उनके रासायनिक और खनिज संरचना, टर्नओवर समय और माइक्रोबियल प्रसंस्करण की डिग्री के साथ-साथ खनिज स्थिरीकरण की डिग्री में भिन्न होते हैं।

Introduction

मिट्टी स्थलीय कार्बन (सी) का सबसे बड़ा भंडार है, जिसमें शीर्ष 1 मीटर में सी के 1,500 पीजी से ऊपर होता है और विश्व स्तर पर गहरे स्तर में लगभग दोगुना होता है, इस प्रकार मिट्टी में पौधे बायोमास की तुलना में अधिक सी होता है और वायुमंडल संयुक्त¹ होता है। मृदा कार्बनिक पदार्थ (एसओएम) पानी और मिट्टी के पोषक तत्वों को बरकरार रखता है और पौधे की उत्पादकता और स्थलीय पारिस्थितिकी तंत्र के कार्य के लिए आवश्यक है। मृदा स्वास्थ्य और कृषि उत्पादकता के लिए पर्याप्त एसओएम स्टॉक के महत्व की वैश्विक मान्यता के बावजूद, अस्थिर वन और कृषि प्रबंधन, परिदृश्य परिवर्तन और जलवायु वार्मिंग ^2,3 के कारण मिट्टी सी स्टॉक काफी हद तक कम हो गए हैं। मृदा स्वास्थ्य को बहाल करने और प्राकृतिक जलवायु समाधानों में एक प्रमुख खिलाड़ी के रूप में मिट्टी सी प्रतिधारण का उपयोग करने में रुचि बढ़ने से उन कारकों को समझने के प्रयास हुए हैं जो विभिन्न^{वातावरणों} में मिट्टी सी पृथक्करण और स्थिरीकरण को नियंत्रित ^{करते हैं।}

मृदा कार्बनिक पदार्थ (एसओएम) विभिन्न यौगिकों का एक जटिल मिश्रण है जो मुक्त, आंशिक रूप से अवक्रमित पौधों के घटकों से लेकर मिट्टी के समुच्चय में रखे गए अधिक माइक्रोबियल रूप से परिवर्तित यौगिकों (यहां अलग-अलग इकाइयों या वस्तुओं के संयोजन से गठित सामग्री के रूप में परिभाषित) से लेकर प्रतिक्रियाशील^{मिट्टी खनिजों} के साथ मजबूत संबंधों के साथ अत्यधिक संसाधित माइक्रोबियल उप-उत्पादों तक फैला हुआ है। . ऐसे मामलों में जहां एसओएम में व्यक्तिगत यौगिकों के पूर्ण सूट की पहचान करना अव्यावहारिक है, जांचकर्ता अक्सर सी के कार्यात्मक पूल की एक छोटी संख्या की पहचान करने पर ध्यान केंद्रित करते हैं जो भौतिक वास्तविकताओं के रूप में मौजूद होते हैं और जो टर्नओवर दर, सामान्य रासायनिक संरचना और मिट्टी के खनिज घटकों के साथ स्थिरीकरण की डिग्री से भिन्न होते हैं^{। 7}. पूल को गंभीर रूप से व्याख्या और मॉडलिंग करने के लिए, यह आवश्यक है कि अलग किए गए पूल संख्या में छोटे हों, केवल सैद्धांतिक के बजाय सीधे मापने योग्य हों, और संरचना^{और प्रतिक्रियाशीलता} में स्पष्ट अंतर प्रदर्शित करें।

मिट्टी सी के सार्थक पूल को अलग करने के लिए रासायनिक और भौतिक दोनों तरह की कई अलग-अलग तकनीकों को नियोजित किया गया है, और इन्हें वॉन लुत्ज़ो एट ^अल.9 और पोप्लाउ एट ^अल.10 द्वारा अच्छी तरह से संक्षेप ति किया गया है। रासायनिक निष्कर्षण तकनीकों का उद्देश्य विशिष्ट पूलों को अलग करना है, जैसे कि सी या तो खराब क्रिस्टलीय या क्रिस्टलीय फे और अल¹¹ से जुड़ा हुआ है। कार्बनिक सॉल्वैंट्स का उपयोग लिपिड¹² जैसे विशिष्ट यौगिकों को निकालने के लिए किया गया है, और या तो हाइड्रोलिसिस या एसओएम के ऑक्सीकरण का उपयोग सी^13,14 के लेबिल पूल के माप के रूप में किया गया है। हालांकि, इनमें से कोई भी निष्कर्षण विधि सी के सभी पूलों को मापने योग्य या मॉडल करने योग्य अंशों में वर्गीकृत नहीं करती है। मिट्टी का भौतिक विभाजन आकार के आधार पर सभी मिट्टी सी को पूल में वर्गीकृत करता है और मानता है कि पौधे के मलबे के अपघटन के परिणामस्वरूप विखंडन और तेजी से छोटे कण होते हैं। यद्यपि अकेले आकार खनिज से जुड़े एसओएम¹⁵ से मुक्त पौधे के मलबे को अलग नहीं कर सकता है, इन दो पूलों को निर्धारित करना गठन और टर्नओवर में सामान्य स्थानिक, भौतिक और जैव-रासायनिक अंतर के कारण मिट्टी सी स्थिरीकरण की समझ^के लिए महत्वपूर्ण है।

घनत्व के आधार पर मिट्टी सी के विभाजन का तेजी से उपयोग किया जा रहा है, और विभिन्न खनिजों के साथ सहयोग की डिग्री के आधार पर सी के विभिन्न पूलों को करना और पहचानना आसान है 17,18,19; इस प्रकार, मिट्टी घनत्व विभाजन विभिन्न मिट्टी सी स्थिरीकरण तंत्र को स्पष्ट करने में मदद कर सकता है। मिट्टी को अलग करने के लिए प्राथमिक आवश्यकता कार्बनिक और खनिज कणों को पूरी तरह से फैलाने की क्षमता है। एक बार बिखरे हुए, अवक्रमित कार्बनिक पदार्थ जो खनिजों से अपेक्षाकृत मुक्त होते हैं, ~ 1.85 ग्राम / सेमी³ से हल्के समाधानों में तैरते हैं, जबकि खनिज आमतौर पर 2-4.5 ग्राम / सेमी³ की सीमा में आते हैं, हालांकि लोहे के ऑक्साइड में 5.3 ग्राम / सेमी³ तक घनत्व हो सकता है। प्रकाश या मुक्त कण अंश में टर्नओवर समय कम होता है (जब तक कि लकड़ी का कोयला द्वारा महत्वपूर्ण संदूषण न हो) और खेती और अन्य गड़बड़ी के लिए अत्यधिक उत्तरदायी दिखाया गया है। भारी (>1.85 ग्राम / सेमी³) या खनिज से जुड़े अंश में अक्सर माइक्रोबियल मध्यस्थता अपघटन के प्रतिरोध के कारण लंबा कारोबार समय होता है जब कार्बनिक अणु प्रतिक्रियाशील खनिज सतहों के साथ बंधते हैं। हालांकि, भारी अंश संतृप्त हो सकता है (यानी, खनिज परिसर क्षमता के लिए एक ऊपरी सीमा तक पहुंच सकता है), जबकि प्रकाश अंश सैद्धांतिक रूप से लगभग अनिश्चित काल तक जमा हो सकता है। इस प्रकार, खनिज से जुड़े बनाम कण कार्बनिक पदार्थों के पूल में कार्बनिक पदार्थों के भौतिक वितरण को समझने से यह स्पष्ट करने में मदद मिलती है कि कुशल कार्बन अनुक्रम के लिए कौन से पारिस्थितिक तंत्र का प्रबंधन किया जा सकता^है और विभिन्न प्रणालियां जलवायु परिवर्तन और मानवजनित अशांति के बदलते पैटर्न का जवाब कैसे देंगी।

जबकि विभिन्न घनत्वों पर सोडियम पॉलीटंगस्टेट के समाधान का उपयोग करके घनत्व विभाजन का उपयोग पिछले दशक में बहुत बढ़ गया है, तकनीक और प्रोटोकॉल काफी भिन्न होते हैं, जिससे विभिन्न अध्ययनों और विभिन्न पारिस्थितिक तंत्रों के परिणामों की तुलना करना मुश्किल हो जाता है। यद्यपि 1.85 ग्राम / सेमी³ का घनत्व खनिज से जुड़े कार्बनिक पदार्थ (एमएओएम) ¹⁷ के न्यूनतम समावेश के साथ मुक्त प्रकाश अंश की सबसे बड़ी मात्रा को पुनर्प्राप्त करने के लिए दिखाया गया है, कई अध्ययनों ने 1.65-2.0 ग्राम / सेमी³ तक घनत्व का उपयोग किया है। जबकि अधिकांश अध्ययनों ने मिट्टी को केवल दो पूलों (एक हल्का अंश और भारी अंश, इसके बाद एलएफ और एचएफ) में विभाजित किया है, अन्य अध्ययनों ने भारी अंश को पूल में और परिष्कृत करने के लिए कई घनत्वों का उपयोग किया है जो उन खनिजों से भिन्न होते हैं जिनसे वे जुड़े होते हैं, कार्बनिक कोटिंग के लिए खनिजों का सापेक्ष अनुपात, या एकत्रीकरण की डिग्री (उदाहरण के लिए, सोलिंस एट ^अल.17, सोलिंस एट ^अल.18, हैटन एट ^अल.21, लाज्था एट ^अल.22, येस्मिन एट ^अल.23, वागई एट ^अल.24, वोल्क एट ^अल.25)। इसके अलावा, अधिक जटिल फ्रैक्शनेशन प्रक्रियाओं का सुझाव दिया गया है जो आकार और घनत्व पृथक्करण दोनों को जोड़ते हैं, जिसके परिणामस्वरूप बड़ी संख्या में पूल (जैसे, योनेकुरा एट ^अल.26, विर्टो एट ^अल.27, मोनी एट ^अल.15, पोप्लाउ एट ^अल.10) होते हैं, लेकिन कार्यप्रणाली और पूल आकार के संबंध में त्रुटि के लिए अधिक जगह भी होती है। इसके अलावा, लेखकों ने खनिज सतहों ^28,29,30 से समुच्चय और एमएओएम को फैलाने के प्रयास में विभिन्न तीव्रताओं और समय पर सोनिकेशन का भी उपयोग किया है।

यहां, हम एक मजबूत घनत्व विभाजन प्रक्रिया का वर्णन करते हैं जो सबसे पहले, मिट्टी कार्बन (एलएफ और एचएफ, या पीओएम और एमएओएम) के दो अद्वितीय पूलों की पहचान करता है, और हम एचएफ पूल को अतिरिक्त अंशों में अलग करने के लिए तकनीकों और तर्कों दोनों की पेशकश करते हैं जो उनके खनिज विज्ञान, कार्बनिक कोटिंग की डिग्री या एकत्रीकरण के आधार पर भिन्न होते हैं। यहां पहचाने गए अंशों को उनकी रासायनिक संरचना, टर्नओवर समय, माइक्रोबियल प्रसंस्करण की डिग्री और खनिज स्थिरीकरण की डिग्री^18,19 के संदर्भ में भिन्न ^{दिखाया} गया ^है।

निम्नलिखित प्रक्रिया एक विशिष्ट घनत्व वाले घोल में मिट्टी की ज्ञात मात्रा को मिलाकर थोक मिट्टी को कण कार्बनिक पदार्थ (पीओएम) और खनिज से जुड़े कार्बनिक पदार्थ (एमएओएम) में अलग करती है। प्रक्रिया की प्रभावकारिता को प्रारंभिक मिट्टी के नमूने द्रव्यमान और सी सामग्री के सापेक्ष मिट्टी द्रव्यमान और कार्बन की संयुक्त वसूली द्वारा मापा जाता है। विआयनीकृत पानी में सोडियम पॉलीटंगस्टेट (एसपीटी) को भंग करके एक घना समाधान प्राप्त किया जाता है। मिट्टी को शुरू में घने एसपीटी समाधान के साथ मिलाया जाता है और मिट्टी के समुच्चय को अच्छी तरह से मिश्रण और फैलाने के लिए उत्तेजित किया जाता है। सेंट्रीफ्यूजेशन का उपयोग मिट्टी की सामग्री को अलग करने के लिए किया जाता है जो या तो घोल में तैरते हैं (हल्का अंश) या सिंक (भारी अंश)। सामग्री से एसपीटी को हटाने के साथ-साथ हल्के और भारी अंशों के पृथक्करण को सुनिश्चित करने के लिए मिश्रण, अलगाव, वसूली और धोने के चरणों को कई बार दोहराया जाता है। अंत में, मिट्टी के अंशों को सुखाया जाता है, तौला जाता है, और सी सामग्री के लिए विश्लेषण किया जाता है। अंशित सामग्री का उपयोग बाद की प्रक्रियाओं और विश्लेषणों के लिए किया जा सकता है।

Protocol

1. सोडियम पॉलीटंगस्टेट (एसपीटी) के स्टॉक समाधान बनाना चेतावनी: एसपीटी एक अड़चन है और निगलने या साँस लेने पर हानिकारक है। यह जलीय जीवों के लिए विषाक्त है; पर्यावरण में इसकी रिहाई से बचें।</p…

Representative Results

मिट्टी घनत्व विभाजन आदर्श रूप से यह जांचने के लिए उपयुक्त है कि मिट्टी उनके कण और खनिज से जुड़े कार्बनिक पदार्थ सामग्री में कैसे भिन्न होती है। इन दो अलग-अलग पूलों में एसओसी को अलग करना मिट्टी सी सामग्र…

Discussion

मिट्टी घनत्व विभाजन प्रोटोकॉल के दौरान, कुछ विशिष्ट प्रक्रियाएं हैं जिन्हें मिट्टी के अंशों के पृथक्करण और विश्लेषण में त्रुटि को कम करने में मदद करने के लिए बारीकी से निगरानी की जानी चाहिए। मृदा घनत?…

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