Использование фракционирования плотности почвы для разделения отдельных пулов углерода в почве

Summary

Фракционирование плотности почвы разделяет органическое вещество почвы на отдельные пулы с различными механизмами стабилизации, химическим составом и временем оборота. Растворы поливольфрамата натрия с определенной плотностью позволяют разделять органические вещества свободных частиц и органические вещества, связанные с минералами, в результате чего получаются фракции органического вещества, пригодные для описания реакции почвы на управление и изменение климата.

Abstract

Органическое вещество почвы (SOM) представляет собой сложную смесь различных соединений, которые охватывают диапазон от свободных, частично разложившихся растительных компонентов до более микробно измененных соединений, содержащихся в почвенных агрегатах, до побочных продуктов с высокой степенью переработки микробов с сильными ассоциациями с реактивными минералами почвы. Ученые-почвоведы изо всех сил пытались найти способы разделения почвы на фракции, которые легко измеримы и полезны для моделирования углерода (C) почвы. Все чаще используется фракционирование почвы на основе плотности, оно легко выполняется и дает пулы C в зависимости от степени связи между SOM и различными минералами; таким образом, фракционирование плотности почвы может помочь охарактеризовать СОМ и определить механизмы стабилизации СОМ. Тем не менее, протоколы фракционирования плотности почвы значительно различаются, что затрудняет сравнение результатов различных исследований и экосистем. Здесь мы описываем надежную процедуру фракционирования плотности, которая разделяет твердые частицы и органические вещества, связанные с минералами, и объясняем преимущества и недостатки разделения почвы на две, три или более фракции плотности. Такие фракции часто различаются по своему химическому и минеральному составу, времени оборачиваемости и степени микробной обработки, а также степени стабилизации минералов.

Introduction

Почва является крупнейшим хранилищем земного углерода (C), содержащим более 1,500 Pg C в верхнем 1 м и почти вдвое больше на более глубоких уровнях во всем мире, что означает, что почва содержит больше C, чем растительная биомасса и атмосфера вместе взятые¹. Органическое вещество почвы (SOM) удерживает воду и питательные вещества почвы и имеет важное значение для продуктивности растений и функционирования наземной экосистемы. Несмотря на всемирное признание важности адекватных запасов СОМ для здоровья почвы и продуктивности сельского хозяйства, запасы почвенного углерода были существенно истощены из-за неустойчивого управления лесами и сельским хозяйством, изменения ландшафта и потепления климата ^2,3. Возросший интерес к восстановлению здоровья почвы и использованию удержания почвы С в качестве ключевого игрока в естественных климатических решениях привел к усилиям по пониманию факторов, которые контролируют связывание и стабилизацию почвы С в различных средах ^4,5.

Органическое вещество почвы (SOM) представляет собой сложную смесь различных соединений, которые охватывают диапазон от свободных, частично разложившихся растительных компонентов до более микробно измененных соединений, содержащихся в почвенных агрегатах (определяемых здесь как материал, образованный комбинацией отдельных единиц или элементов), до субпродуктов высокой степени переработки микробов с сильными ассоциациями с реактивными минералами^{почвы 6} . В тех случаях, когда нецелесообразно идентифицировать полный набор отдельных соединений в SOM, исследователи часто сосредотачиваются на выявлении меньшего числа функциональных пулов C, которые существуют как физические реальности и которые различаются по скорости оборота, общему химическому составу и степени стабилизации с минеральными компонентами почвы^{1. 7}. Для того, чтобы пулы могли быть критически интерпретированы и смоделированы, важно, чтобы отдельные пулы были небольшими по количеству, поддавались прямому измерению, а не только теоретически, и демонстрировали явные различия в составе и реакционной способности⁸.

Для выделения значимых бассейнов почвы С было использовано множество различных методов, как химических, так и физических, и они хорошо обобщены фон Лютцовым и ^др.9 и Поеплау и ^др.10. Методы химической экстракции направлены на выделение определенных пулов, таких как C, связанных либо с плохо кристаллическими, либо с кристаллическими Fe и Al¹¹. Органические растворители использовались для экстракции специфических соединений, таких как липиды¹², а гидролиз или окисление SOM использовались в качестве меры лабильного пула C^13,14. Однако ни один из этих методов экстракции не классифицирует все пулы C на измеримые или моделируемые дроби. Физическое фракционирование почвы классифицирует всю почву C на пулы в зависимости от размера и предполагает, что разложение растительных остатков приводит к фрагментации и все более мелким частицам. Хотя размер сам по себе не может отделить свободные растительные остатки от связанных с минералами SOM¹⁵, количественная оценка этих двух бассейнов имеет решающее значение для понимания стабилизации почвы C из-за общих пространственных, физических и биогеохимических различий в образовании и обороте¹⁶.

Все чаще используется фракционирование почвы С на основе плотности, и его легко выполнить, и он идентифицирует различные пулы С в зависимости от степени связи с различными минералами^17,18,19; таким образом, фракционирование плотности почвы может помочь выяснить различные механизмы стабилизации почвы С. Основным требованием к фракционированию почвы является способность полностью рассеивать органические и минеральные частицы. После диспергирования разложившееся органическое вещество, относительно свободное от минералов, плавает в растворах легче ~ 1,85 г / см 3 , в то время как минералы обычно находятся в диапазоне 2-4,5 г / см 3 , хотя оксиды железа могут иметь плотность до 5,3 г / см³ . Легкая или свободная фракция твердых частиц, как правило, имеет более короткое время оборота (если нет значительного загрязнения древесным углем) и, как было показано, очень чувствительна к культивации и другим нарушениям. Тяжелая (>1,85 г/^см3) или связанная с минералами фракция часто имеет более длительное время оборота из-за устойчивости к микробно-опосредованному разложению, получаемой при связывании органических молекул с реакционноспособными минеральными поверхностями. Однако тяжелая фракция может насыщаться (т.е. достигать верхнего предела минеральной комплексообразующей способности), в то время как легкая фракция теоретически может накапливаться почти бесконечно. Таким образом, понимание физического распределения органического вещества в пулах связанного с минералами и твердых органических веществ помогает выяснить, какими экосистемами можно управлять для эффективного связывания углерода и как различные системы будут реагировать на изменение климата и меняющиеся модели антропогенных возмущений²⁰.

Несмотря на то, что за последнее десятилетие значительно возросло использование плотно-фракционного фракционирования с использованием растворов поливольфрамата натрия при разной плотности, методы и протоколы значительно различаются, что затрудняет сравнение результатов различных исследований и различных экосистем. Хотя было показано, что плотность 1,85 г/см3 позволяет извлекать наибольшее количество фракции свободного света с минимальным включением связанного с минералами органического вещества (МАОМ)¹⁷, во многих исследованиях использовались плотности в диапазоне от 1,65 до 2,0 г/^см3. В то время как в большинстве исследований почвы были разделены только на две пулы (легкая фракция и тяжелая фракция, далее LF и HF), в других исследованиях использовались множественные плотности для дальнейшего измельчения тяжелой фракции в пулы, которые различаются минералами, с которыми они связаны, относительным отношением минералов к органическому покрытию или степенью агрегации (например, 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). Кроме того, были предложены более сложные процедуры фракционирования, которые сочетают в себе разделение как по размеру, так и по плотности, что приводит к увеличению числа бассейнов (например, Yonekura et ^al.26, Virto et ^al.27, Moni et al.15, Poeplau et ^al.10), но также и к большему количеству ошибок как в методологии, так и в отношении размера пула. Кроме того, авторы также использовали обработку ультразвуком с различной интенсивностью и временем, чтобы диспергировать агрегаты и MAOM с минеральных поверхностей^28,29,30.

Здесь мы описываем надежную процедуру фракционирования плотности, которая идентифицирует, во-первых, два уникальных пула почвенного углерода (LF и HF, или POM и MAOM), и мы предлагаем как методы, так и аргументы для дальнейшего разделения пула HF на дополнительные фракции, которые различаются в зависимости от их минералогии, степени органического покрытия или агрегации. Показано, что идентифицированные здесь фракции различаются по химическому составу, времени оборота, степени микробной обработки и степени стабилизации минералов^18,19.

Следующая процедура разделяет объемную почву на твердые органические вещества (POM) и минеральные органические вещества (MAOM) путем смешивания известного количества почвы в растворе с определенной плотностью. Эффективность процедуры измеряется комбинированным извлечением почвенной массы и углерода по отношению к исходной массе образца почвы и содержанию углерода. Плотный раствор достигается растворением поливольфрамата натрия (SPT) в деионизированной воде. Почву сначала смешивают с плотным раствором SPT и перемешивают, чтобы тщательно перемешать и диспергировать почвенные агрегаты. Затем центрифугирование используется для отделения почвенных материалов, которые либо всплывают (легкая фракция), либо тонет (тяжелая фракция) в растворе. Этапы смешивания, изоляции, восстановления и промывки повторяются несколько раз, чтобы обеспечить разделение легких и тяжелых фракций, а также удаление SPT из материала. Наконец, фракции почвы сушат, взвешивают и анализируют на содержание C. Фракционированный материал может быть использован для последующих процедур и анализов.

Protocol

1. Изготовление исходных растворов поливольфрамата натрия (ППТ) ВНИМАНИЕ: SPT является раздражителем и вреден при проглатывании или вдыхании. Он токсичен для водных организмов; избегать его попадания в окружающую среду. Чтобы получить 1 л раствора SPT плотност…

Representative Results

Фракционирование плотности почвы идеально подходит для исследования того, как почвы различаются по содержанию твердых частиц и связанных с минералами органических веществ. Разделение ПОУ на эти два отдельных пула дает возможность прояснить изменения в содержании C в почве и динамику …

Discussion

В протоколе фракционирования плотности почвы есть несколько конкретных процедур, которые необходимо тщательно контролировать, чтобы уменьшить ошибки при разделении и анализе фракций почвы. Важнейшим этапом процедуры фракционирования плотности почвы является многократная проверка …

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