Bruk av jordtetthetsfraksjonering for å skille forskjellige jordkarbonbassenger

Summary

Jordtetthetsfraksjonering separerer jordorganisk materiale i forskjellige bassenger med forskjellige stabiliseringsmekanismer, kjemikalier og omsetningstider. Natriumpolytungstatlige løsninger med spesifikke tettheter tillater separasjon av fritt partikkelformet organisk materiale og mineralassosiert organisk materiale, noe som resulterer i fraksjoner av organisk materiale som er egnet til å beskrive jordens respons på ledelse og klimaendringer.

Abstract

Jordorganisk materiale (SOM) er en komplisert blanding av forskjellige forbindelser som spenner over området fra frie, delvis nedbrutte plantekomponenter til mer mikrobielt endrede forbindelser som holdes i jordaggregatene til høyt bearbeidede mikrobielle biprodukter med sterke assosiasjoner til reaktive jordmineraler. Jordforskere har slitt med å finne måter å skille jord i fraksjoner som er lett målbare og nyttige for jordkarbon (C) modellering. Fraksjonering av jord basert på tetthet blir i økende grad brukt, og det er enkelt å utføre og gir C-bassenger basert på graden av assosiasjon mellom SOM og forskjellige mineraler; Dermed kan jordtetthetsfraksjonering bidra til å karakterisere SOM og identifisere SOM-stabiliseringsmekanismer. Imidlertid varierer de rapporterte jordtetthetsfraksjoneringsprotokollene betydelig, noe som gjør resultatene fra forskjellige studier og økosystemer vanskelig å sammenligne. Her beskriver vi en robust tetthetsfraksjoneringsprosedyre som separerer partikler og mineralassosiert organisk materiale og forklarer fordelene og ulempene ved å skille jord i to, tre eller flere tetthetsfraksjoner. Slike fraksjoner varierer ofte i deres kjemiske og mineralske sammensetning, omsetningstid og grad av mikrobiell behandling, samt graden av mineralstabilisering.

Introduction

Jord er det største lageret av terrestrisk karbon (C), som inneholder oppover 1,500 Pg C i topp 1 m og nesten dobbelt så mye i dypere nivåer globalt, noe som betyr at jord inneholder mer C enn plantebiomasse og atmosfæren kombinert¹. Organisk materiale i jord (SOM) beholder vann og jordnæringsstoffer og er avgjørende for planteproduktiviteten og funksjonen til det terrestriske økosystemet. Til tross for global anerkjennelse av betydningen av tilstrekkelige SOM-bestander for jordhelse og landbruksproduktivitet, har jord C-bestandene blitt betydelig utarmet på grunn av ikke-bærekraftig skog- og landbruksforvaltning, landskapsendringer og klimaoppvarming ^2,3. Økt interesse for å gjenopprette jordhelsen og i å bruke jord C-retensjon som en sentral aktør i naturlige klimaløsninger har ført til innsats for å forstå faktorene som styrer jord C-sekvestrering og stabilisering i ulike miljøer ^4,5.

Jordorganisk materiale (SOM) er en komplisert blanding av forskjellige forbindelser som spenner over området fra frie, delvis nedbrutte plantekomponenter til mer mikrobielt endrede forbindelser som holdes i jordaggregatene (definert her som et materiale dannet ved kombinasjonen av separate enheter eller gjenstander) til høyt bearbeidede mikrobielle biprodukter med sterke assosiasjoner med reaktive jordmineraler⁶ . I tilfeller der det er upraktisk å identifisere hele pakken av individuelle forbindelser i SOM, fokuserer etterforskere ofte på å identifisere et mindre antall funksjonelle bassenger av C som eksisterer som fysiske realiteter og som varierer etter omsetningshastigheter, generell kjemisk sammensetning og graden av stabilisering med jordens mineralkomponenter^{1, 7}. For at bassengene skal kunne tolkes og modelleres kritisk, er det avgjørende at de adskilte bassengene er små i antall, er direkte målbare og ikke bare teoretiske, og viser klare forskjeller i sammensetning og reaktivitet⁸.

Mange forskjellige teknikker, både kjemiske og fysiske, har blitt brukt til å isolere meningsfulle bassenger av jord C, og disse er godt oppsummert av von Lützow et ^al.9 og Poeplau et ^al.10. Kjemiske ekstraksjonsteknikker tar sikte på å isolere spesifikke bassenger, for eksempel C assosiert med enten dårlig krystallinsk eller krystallinsk Fe og Al¹¹. Organiske løsningsmidler har blitt brukt til å trekke ut spesifikke forbindelser som lipider¹², og enten hydrolysen eller oksidasjonen av SOM har blitt brukt som et mål på et labilt basseng på C^13,14. Ingen av disse ekstraksjonsmetodene kategoriserer imidlertid alle C-bassengene i målbare eller modellerbare fraksjoner. Den fysiske fraksjoneringen av jord kategoriserer all jord C i bassenger basert på størrelse og antar at nedbrytning av planteavfall resulterer i fragmentering og stadig mindre partikler. Selv om størrelse alene ikke kan skille fritt planteavfall fra mineralassosiert SOM¹⁵, er kvantifisering av disse to bassengene avgjørende for forståelsen av jord C-stabilisering på grunn av vanlige romlige, fysiske og biogeokjemiske forskjeller i dannelse og omsetning¹⁶.

Fraksjoneringen av jord C basert på tetthet blir i økende grad brukt, og den er enkel å utføre og identifiserer forskjellige bassenger av C basert på graden av tilknytning til forskjellige mineraler^17,18,19; Dermed kan jordtetthetsfraksjonering bidra til å belyse ulike stabiliseringsmekanismer for jord C. Det primære kravet for at jord skal fraksjoneres er evnen til å spre de organiske og mineralske partiklene fullt ut. Når det er spredt, flyter nedbrutt organisk materiale som er relativt fri for mineraler i løsninger lettere enn ~ 1,85 g / cm 3, mens mineraler vanligvis faller i området 2-4,5 g / cm 3, selv om jernoksider kan ha tettheter opp til 5,3 g / cm³. Den lette eller frie partikkelfraksjonen har en tendens til å ha kortere omsetningstid (med mindre det er betydelig forurensning av trekull) og har vist seg å være svært mottakelig for dyrking og andre forstyrrelser. Den tunge (>1,85 g/^cm3) eller mineralassosierte fraksjonen har ofte lengre omsetningstid på grunn av motstanden mot mikrobielt mediert nedbrytning som oppnås når organiske molekyler binder seg til reaktive mineraloverflater. Imidlertid kan den tunge fraksjonen mette (dvs. nå en øvre grense for mineralkomplekseringskapasitet), mens lysfraksjonen teoretisk kan akkumuleres nesten på ubestemt tid. Forståelsen av den fysiske fordelingen av organisk materiale i bassenger av mineralassosiert versus partikkelformig organisk materiale bidrar dermed til å belyse hvilke økosystemer som kan forvaltes for effektiv karbonbinding og hvordan ulike systemer vil reagere på klimaendringer og skiftende mønstre av menneskeskapte^{forstyrrelser20}.

Mens bruken av tetthetsfraksjonering ved hjelp av løsninger av natriumpolytungstat ved forskjellige tettheter har økt sterkt i det siste tiåret, varierer teknikkene og protokollene betydelig, noe som gjør resultatene fra forskjellige studier og forskjellige økosystemer vanskelig å sammenligne. Selv om en tetthet på 1,85 g/^cm3 har vist seg å gjenvinne den største mengden fritt lysfraksjon med minimal inkludering av mineralassosiert organisk materiale (MAOM)¹⁷, har mange studier brukt tettheter fra 1,65-2,0 g/cm³. Mens de fleste studier har fraksjonert jord i bare to bassenger (en lett brøkdel og en tung fraksjon, heretter LF og HF), har andre studier brukt flere tettheter for ytterligere å avgrense den tunge fraksjonen i bassenger som avviker med mineralene de er assosiert med, det relative forholdet mellom mineraler og organisk belegg, eller graden av 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). I tillegg har mer komplekse fraksjoneringsprosedyrer blitt foreslått som kombinerer både størrelse og tetthetsseparasjon, noe som resulterer i et større antall bassenger (f.eks. Yonekura et al.26, Virto et ^al.27, Moni et al.15, Poeplau et ^al.10), men også mer rom for feil, både i metodikken og i forhold til bassengstørrelsen. Videre har forfattere også brukt sonikering ved varierte intensiteter og tider i et forsøk på å spre aggregater og MAOM fra mineraloverflater^28,29,30.

Her beskriver vi en robust tetthetsfraksjoneringsprosedyre som først identifiserer to unike bassenger av jordkarbon (LF og HF, eller POM og MAOM), og vi tilbyr både teknikkene og argumentene for å ytterligere skille HF-bassenget i ytterligere fraksjoner som varierer basert på deres mineralogi, grad av organisk belegg eller aggregering. Fraksjonene som er identifisert her har vist seg å variere med hensyn til kjemisk sammensetning, omsetningstid, grad av mikrobiell prosessering og grad av mineralstabilisering^18,19.

Følgende fremgangsmåte separerer bulkjord i partikler organisk materiale (POM) og mineralassosiert organisk materiale (MAOM) ved å blande en kjent mengde jord i en løsning med en bestemt tetthet. Effektiviteten av prosedyren måles ved kombinert utvinning av jordmasse og karbon i forhold til den opprinnelige jordprøvemassen og C-innholdet. En tett løsning oppnås ved å oppløse natriumpolytungstate (SPT) i avionisert vann. Jorden blandes først med den tette SPT-løsningen og omrøres for å blande og spre jordaggregatene grundig. Sentrifugering brukes deretter til å skille jordmaterialene som enten flyter (lysfraksjon) eller synker (tung fraksjon) i løsningen. Blandings-, isolasjons-, gjenvinnings- og vasketrinnene gjentas flere ganger for å sikre separasjon av de lette og tunge fraksjonene, sammen med fjerning av SPT fra materialet. Til slutt blir jordfraksjonene tørket, veid og analysert for C-innhold. Det fraksjonerte materialet kan brukes til senere prosedyrer og analyser.

Protocol

1. Lage stamløsninger av natriumpolytungstate (SPT) FORSIKTIG: SPT er irriterende og er skadelig ved svelging eller innånding. Det er giftig for vannlevende organismer; unngå utslipp i miljøet. For å lage 1 liter SPT-oppløsning med en tetthet på 1,85 g /cm3, oppløs 1,051 g krystallisert SPT i ca. 600 ml deionisert destillert (DDI) vann. Rør oppløsningen til SPT er fullstendig oppløst, ca. i 15 minutter, og bring deretter oppløsningsvolumet til …

Representative Results

Jordtetthetsfraksjonering er ideell for å undersøke hvordan jord varierer i deres partikkelformige og mineralassosierte organiske materialeinnhold. Separering av SOC i disse to distinkte bassengene gir en mulighet til å belyse endringene i jord C-innhold og stabiliseringsdynamikk som ellers kan være uklare når man observerer trender i bulkjord C-innhold. Den videre separasjonen av det tunge materialet (tetthet >1,85 g / cm3) gir ytterligere innsikt i endringene og trendene i jord C-stabilisering, men øke…

Discussion

Gjennom jordtetthetsfraksjoneringsprotokollen er det noen spesifikke prosedyrer som må overvåkes nøye for å redusere feil i separasjon og analyse av jordfraksjonene. Et kritisk trinn i jordtetthetsfraksjoneringsprosedyren er å gjentatte ganger verifisere tettheten til SPT-løsningen. Fuktighet i jordprøven vil ofte fortynne SPT-løsningen, og dermed redusere tettheten til SPT. Derfor må forskeren alltid sørge for at fullstendig separasjon av de lette og tunge løsningene er oppnådd etter sentrifugering. Hvis fra…

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