Beoordeling van de labiele organische koolstof in de bodem met behulp van Sequential Fumigatiediensten Incubation Procedures
Summary
Labile organic carbon (LOC) and the potential carbon turnover rate are sensitive indicators of changes in soil nutrient cycling processes. Details are provided for a method based on fumigating and incubating soil in a series of cycles and using the CO2 accumulated during the incubation periods to estimate these parameters.
Abstract
Management praktijken en veranderingen in het milieu kunnen de bodem van voedingsstoffen en carbon fietsen veranderen. Bodem labiele organische koolstof, een gemakkelijk afbreekbare C zwembad, is zeer gevoelig voor verstoring. Het is ook de primaire substraat voor de bodem micro-organismen, dat fundamenteel is voor voedingsstoffen fietsen. Door deze kenmerken heeft labiele organische koolstof (LOC) geïdentificeerd als indicator parameter voor bodemgezondheid. Kwantificeren van de omloopsnelheid van LOC helpt ook bij het begrijpen van veranderingen in de bodem van voedingsstoffen fietsen processen. Een sequentiële begassing incubatie-methode is ontwikkeld om de bodem LOC en potentiële omzet C tarief te schatten. De werkwijze vereist ontsmetten bodemmonsters en kwantificeren CO 2 -C ingeademde gedurende een 10 dagen incubatieperiode over een reeks van begassing incubatie cycli. Labiele organische C en potentiële C omloopsnelheid worden dan geëxtrapoleerd van geaccumuleerd CO 2 met een negatief exponentiële model. Procedures voor het uitvoeren van deze werkwijze zijn beschrevend.
Introduction
Vanwege de cruciale rol in koolstof (C) en nutriënrecyclage en zijn gevoeligheid voor veranderingen bodem, bodem LOC is een belangrijke parameter te meten als een indicator van organische stof kwaliteit. Bossen en agro in grote mate afhangen van de mineralisatie van nutriënten in organische stof als een bron van nutriënten. Management activiteiten kunnen de grootte van het zwembad en de omloopsnelheid van de bodem organische C veranderen, wat resulteert in veranderingen in de toevoer van voedingsstoffen 1. Bodem organische C bestaat uit twee primaire fracties van recalcitrante C, waarin de omzet tarieven van enkele duizenden jaren heeft, en LOC, die de omzet tarieven van een paar weken tot een paar jaar 2,3,4 heeft. Bodem labiele C bestaat uit gemakkelijk afbreekbare substraten zoals microbiële biomassa C, laag-molecuulgewicht verbindingen (aminozuren, enkelvoudige koolhydraten) uit plantaardige rhizodeposition en ontledingsproducten ontstaan en percolatiewater van plantaardig afval 1,4,5. Omdat bodem labiele C gemakkelijk afbreekbaar iszeer gevoelig voor management praktijken en natuurverschijnselen die verstoren of te wijzigen bodem 6. Bodem labiele C dient als de primaire energiebron voor bodemmicro-organismen in de afbraak van organisch materiaal 7. Als zodanig, LOC gevolgen nutriëntencycli tot een grotere mate dan doet stabiele vormen van de bodem organische C 8. Bodemmicro-organismen zijn ook verantwoordelijk voor het merendeel van heterotrofe respiratie die tijdens afbraak van recalcitrante organische stof vergemakkelijkt door priming effect van LOC 9,10,11. Deze ademhaling speelt een belangrijke rol in de wereldwijde C cycli, omdat de bodem organische C is ongeveer het dubbele van die van de atmosferische C 11.
Als gevolg van het belang in terrestrische ecosystemen, zijn verscheidene werkwijzen ontwikkeld bodem LOC schatten. Deze werkwijzen kunnen worden afgebakend in drie algemene indelingen fysische, chemische en biochemische. Densitometrische scheidingsmethoden fysieke methODS die bestaan uit het scheiden van de bodem organische C in zware of lichte fracties of in grove en fijne deeltjes organische C 12,13,14,15. Scheidingsmethodes zijn relatief gemakkelijk uit te voeren, maar niet vaak consistente resultaten omdat deze fracties variëren bodemtype minerale samenstelling, plantenmateriaal grootte en dichtheid en bodem totale consistentie 13,15. Scheidingswerkwijzen produceren ook enige kwantitatieve informatie over LOC 15.
Verschillende chemische methoden zijn beschikbaar voor LOC schatting. Waterige extractie van organische koolstof is relatief gemakkelijk uit te voeren en de werkwijzen vaak gemakkelijk reproduceerbare resultaten. Echter, deze extracties niet het gehele spectrum van beschikbare substraten voor micro-organismen 15 te betrekken. Verschillende werkwijzen voor chemische oxidatie fractionering van bodemorganische C ontwikkeld. Oxidatie werkwijzen hebben het voordeel van het karakteriseren van de kwantiteit en kwaliteit van labiele organische CHoewel sommige vereisen werken met gevaarlijke stoffen en er is variabiliteit onder de methoden reproduceerbaarheid 15. De zure hydrolyse extractiemethode is een ander type chemische fractionering dat de kwantiteit en kwaliteit van LOC kan meten, maar de resultaten van deze methode geen interpretatie van de biologische eigenschappen 13,15 vergemakkelijken.
Biochemische werkwijzen voor interpretatie grond LOC ontwikkeld. Labiele organische C kan worden gemeten als CO 2 door micro-organismen vrijgegeven ademhaling assays. Deze testen schattingen van echte mineralizable organisch materiaal, maar meestal alleen de meest labiele verbindingen zijn gemineraliseerd tijdens de testen 15. Bodem microbiële biomassa C gemeten met begassing-incubatie 16 begassing-extractie 17 werd gebruikt om conclusies over LOC ontwikkelen. Echter, deze procedures schattingen van C in microbiële biomassa in plaats van LOC. Beide begassing onder aftrekken van de waarden van niet-begaste bodem microbiële biomassa C te bepalen, maar er is gesuggereerd dat waarden verkregen zonder aftrekking van niet-begaste bodem uitvoert maat voor labiele organische fracties van C naast microbiële biomassa 18 .
De sequentiële begassing-incubatie (SFI) procedure 13 voor het meten van LOC is een biochemische methode aangepast van de begassing-incubatie procedure 16 voor de bodem microbiële biomassa C meting. De SFI-methode heeft een aantal voordelen ten opzichte van andere methoden voor het schatten van LOC. Een conceptuele basis voor de werkwijze is dat LOC is de microbiële afbreekbare C dat microbiële groei regelt en dat LOC is toegankelijk en chemisch afbreekbaar door bodemmicro-organismen. Onder veldomstandigheden wordt microbiële groei doorgaans beperkt door carbon beschikbaarheid, beschikbaarheid van voedingsstoffen, beschikbare poriën en / of predatie. Deze factoren zijn bijna Elimineerd door begassing, het creëren van een onbelemmerde voorwaarden voor microbiële groei. Nr stoffen gaan tijdens de incubatieperiode van de werkwijze. Gedurende meerdere gassing en incubatie cycli wordt microbiële groei beperkt C kwantiteit en kwaliteit (labiliteit) 13. De cumulatieve CO 2 ingeademde tijdens de incubatie cycli wordt gebruikt voor het LOC extrapoleren met een eenvoudige negatieve exponentiële model 11,13,19. De potentiële omzet C tarief kan ook worden afgeleid uit de helling van het exponentiële model, zodat de SFI werkwijze heeft het voordeel over de meeste andere LOC methoden simultaan schatten van de concentraties en mogelijke omloopsnelheid van 11 LOC. Voor andere methoden, kan informatie over de mogelijke omzet tarieven van de LOC alleen worden vastgesteld als tracers zoals 14 C worden gebruikt 13. De SFI methode is dus een relatief eenvoudige en goedkope techniek voor metingen van zowel LOC en de mogelijke omloopsnelheid.
Protocol
Representative Results
Discussion
The SFI method is an effective protocol for detecting differences in soil LOC and potential C turnover rates over a range of management practices (such as fertilization, tillage, vegetation control, and harvest practices) and soil conditions. Soil LOC content and C turnover rate can be used to understand alterations of nutrient cycles. The SFI method also provides measurement of microbial biomass C from the first fumigation-incubation event. The ability to measure soil LOC, C turnover, and microbial biomass C concurrentl…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors gratefully acknowledge Michelle Gonzales, Kenny Kidd, Brad Osbon, and all other personnel that conducted the laboratory procedures for these data. The authors are thankful for assistance from Andrew Scott in developing software coding to conduct model-fitting procedures. The authors also appreciate the funding from the U.S. Department of Agriculture National Institute of Food and Agriculture, Sustainable Agriculture and Research & Education, Sun Grant South Central region, and the National Council of Air and Stream Improvement that made possible the studies from which representative results provided in this paper were drawn.
Materials
| Soil auger sampling kit | JMC | PN039 | Several other manufacturers of punch augers are available |
| Parafilm | Curwood | PM999 | |
| Aluminum weighing boats | Fisherbrand | 08-732-103 | |
| General purpose drying oven | Fisher Scientific | 15-103-0511 | Many other manufacturers of general purpose laboratory ovens are available |
| 10.5 L vacuum desiccator | Corning | 3121-250 | |
| Glass scintillation vial | Wheaton | 968560 | |
| Glass threaded vials, 41 mL | Fisherbrand | 03-339-21N | |
| Chloroform, stabilized with amylenes | Sigma-Aldrich | 67-66-3 | |
| Boiling chips | Fisher Scientific | S25201 | |
| Glass rod | Fisherbrand | S63449 | |
| Size 10 rubber stopper | Fisherbrand | 14-130P | Rubber stoppers can be purchased as solid and drilled in center to install glass rod or bought with a hole to insert glass rod |
| Wide-mouth PPCO bottle, 0.5 L | ThermoScientific | 3121050016 | |
| Sodium hydroxide, reagent grade | Sigma-Aldrich | S5881 | |
| Barium chloride | Sigma-Aldrich | 202738 | |
| Phenolphthalein indicator | Fisher Scientific | S25466 | |
| Hydrochloric acid solution, 0.1 N | Fisher Scientific | SA54-4 |
References
- Blair, G., et al. Soil carbon fractions based on their degree of oxidation, and the development of a carbon management index for agricultural systems. Aust. J. Agric. Res. 46, 1459-1466 (1995).
- Schimel, D. S., et al. Soil organic matter dynamics in paired rangeland and cropland toposequences in North Dakota. Geoderma. 36, 201-214 (1985).
- Parton, W. J., et al. Analysis of factors controlling soil organic matter levels in great-plains grasslands. Soil Sci. Soc. Am. J. 51, 1173-1179 (1987).
- Wu, H., et al. Labile organic C and N mineralization of soil aggregate size classes in semiarid grasslands as affected by grazing management. Biol. Fertil. Soils. 48, 305-313 (2011).
- Jones, D. L., et al. Plant and mycorrhizal regulation of rhizodeposition. New Phytol. 163, 459-480 (2004).
- Harrison, K. G., et al. The effect of changing land use of soil radiocarbon. Science. 262, 725-726 (1993).
- Jinbo, Z., et al. Land use effects on the distribution of labile organic carbon fractions through soil profiles. Soil Sci Soc. Am. J. 70, 660-667 (2006).
- Whalen, J. K., et al. Carbon and nitrogen mineralization from light- and heavy-fraction additions to soil. Soil Biol Biochem. 32, 1345-1352 (2000).
- Gregorich, E. G., et al. Towards a minimum data set to assess soil organic matter quality in agricultural soils. Can. J. Soil Sci. 74, 367-385 (1994).
- Hamer, U., et al. Priming effects in different soil types induced by fructose, alanine, oxalic acid and catechol additions. Soil Biol. Biochem. 37, 445-454 (2005).
- Feng, W., et al. Shifting sources of soil labile organic carbon after termination of plant carbon inputs in a subtropical moist forest of southwest China. Ecol. Res. 26, 437-444 (2011).
- Tisdall, J. M., Carter, M. R., Stewart, B. A. Formation of soil aggregates and accumulation of soil organic matter. Structure and Organic Matter Storage in Agricultural Soils. , 57-96 (1996).
- Zou, X. M., et al. Estimating soil labile organic carbon and potential turnover rates using a sequential fumigation-incubation procedure. Soil Biol. Biochem. 37, 1923-1928 (2005).
- Cambardella, C. A., Elliott, E. T. Particulate soil organic matter changes across a grassland cultivation sequence. Soil Sci. Soc. Am. J. 56, 777-783 (1992).
- Strosser, E. Methods for determination of labile soil organic matter: an overview. J. Agrobiol. 27, 49-60 (2010).
- Jenkinson, D. A., Powlson, D. S. The effects of biocidal treatment on metabolism in soil V: a method for measuring soil biomass. Soil Biol. Biochem. 8, 209-213 (1976).
- Vance, E. D., et al. An extraction method for measuring soil microbial biomass C. Soil Biol. Biochem. 19, 703-707 (1987).
- De-Polli, H., et al. Chloroform fumigation-extraction labile C pool (microbial biomass C "plus") shows high correlation to microbial biomass C in Argentinian and Brazilian soils. Cienc. Suelo. 25, 15-22 (2007).
- Olson, J. S. Energy storage and the balance of producers and decomposers in ecological systems. Ecology. 44, 322-331 (1963).
- Pennock, D., Carter, M. R., Gregorich, E. G., et al. Chapter 1, Unit 1, Soil sampling designs. Soil Sampling and Methods of Analysis. , (2008).
- Luizao, R. C. C., et al. Seasonal variation of soil microbial biomass: the effects of clearfelling a tropical rainforest and establishment of pasture in the central Amazon. Soil Biol. Biochem. 24, 805-813 (1992).
- Horwath, W. R., Paul, E. A., Weaver, R. W., et al. Microbial biomass. Methods of soil analysis part 2: microbiological and biochemical properties. , 753-773 (1994).
- Jenkinson, D. S., Ladd, J. N., Paul, E. A., Ladd, J. N. Microbial biomass in soil: measurement and turnover. Soil Biochemistry. , 415-471 (1981).
- Blazier, M. A., Gungor, E. B. O., et al. Poultry litter fertilization impacts on soil, plant, and water characteristics in loblolly pine (Pinus taeda L.) plantations and silvopastures in the mid-South USA. Principles, application, and assessment in soil science. , 43-74 (2011).
- Blazier, M. A., et al. Straw harvesting, fertilization, and fertilizer type alter soil biophysical properties in a loblolly pine plantation in the mid-South USA. Biol. Fertil. Soils. 45, 145-153 (2008).
- Blazier, M. A., et al. Loblolly pine age and density affects switchgrass growth and soil carbon in an agroforestry system. For. Sci. 58, 485-496 (2012).
- Blazier, M. A., et al. Nitrogen and carbon of switchgrass, loblolly pine, and cottonwood biofuel production systems in the Southeast United States. For. Sci. 61, 522-534 (2015).
- Zhang, M., et al. Decomposition differences of labile carbon from litter to soil in a tropical rain forest and rubber plantation of Xishuagbanna, southwest China. Eur. J. Soil Biol. 55, 55-61 (2013).
- Nelson, D. W., Sommers, L. E., Sparks, D., et al. Total carbon, organic carbon, and organic matter. Methods of soil analysis. Part 3: chemical methods. , 961-1090 (1996).
- Huang, L., et al. Correlation among soil microorganisms, soil enzyme activities, and removal rates of pollutants in three constructed wetlands purifying micro-polluted river water. Soil Biol. Biochem. 70, 221-228 (2012).
- Kong, L., et al. Enzyme and root activities in surface-flow constructed wetlands. Chemosphere. 76, 601-608 (2009).
- Cui, L., et al. Evaluation of nutrient removal efficiency and microbial enzyme activity in a baffled subsurface-flow constructed wetland system. Bioresour. Technol. 146, 656-662 (2013).
- Jenkinson, D. S., Wilson, J. R. Determination of microbial biomass carbon and nitrogen in soil. Advances in nitrogen cycling in agricultural ecosystems. , 368-386 (1988).
- Sparling, G. P., et al. Interference from plant roots in the estimation of soil microbial ATP, C, N, and P. Soil Biol. Biochem. 17, 275-278 (1985).
- Christie, P., Beatte, J. A. M. Significance of sample size in measurement of soil microbial biomass by the chloroform fumigation-incubation method. Soil Biol. Biochem. 19, 149-152 (1987).
- McLaughlin, K. K., Hobbie, S. E. Comparison of labile soil organic matter fractionation techniques. Soil Sci. Soc. Am. J. 68, 1616-1625 (2004).
- Xia, X., et al. Variation of soil labile organic carbon pools along an elevational gradient in the Wuyi Mountains, China. J. Resour. Ecol. 1, 368-374 (2010).
