Elektrostatische Methode zur Entfernung organischer Partikel aus dem Boden

Summary

Die Entfernung von kürzlich abgelagertem und unvollständig zersetztem Pflanzenmaterial aus Bodenproben reduziert den Einfluss temporärer saisonaler Inputs auf die Messungen des organischen Kohlenstoffs im Boden. Die Anziehung zu einer elektrostatisch geladenen Oberfläche kann genutzt werden, um schnell eine beträchtliche Menge an organischem Feinstaub zu entfernen.

Abstract

Schätzungen des organischen Kohlenstoffs im Boden hängen von Bodenverarbeitungsmethoden ab, einschließlich der Entfernung von unabgebautem Pflanzenmaterial. Eine unzureichende Trennung von Wurzeln und Pflanzenmaterial vom Boden kann zu sehr variablen Kohlenstoffmessungen führen. Methoden zur Entfernung des Pflanzenmaterials beschränken sich oft auf die größten und sichtbarsten Pflanzenmaterialien. In diesem Manuskript beschreiben wir, wie elektrostatische Anziehung genutzt werden kann, um Pflanzenmaterial aus einer Bodenprobe zu entfernen. Eine elektrostatisch geladene Oberfläche, die in der Nähe von trockenem Boden passiert wird, zieht auf natürliche Weise sowohl unzersetzende als auch teilweise zersetzte Pflanzenpartikel sowie eine kleine Menge mineralischen und aggregierten Bodens an. Die Bodenprobe wird in einer dünnen Schicht auf einer ebenen Oberfläche oder einem Bodensieb verteilt. Eine Petrischale aus Kunststoff oder Glas wird elektrostatisch durch Reiben mit Polystyrolschaum oder Nylon- oder Baumwolltuch aufgeladen. Die geladene Schale wird wiederholt über den Boden geleitet. Das Gericht wird dann sauber gebürstet und wieder aufgeladen. Die erneute Ausbreitung des Bodens und die Wiederholung des Verfahrens führt schließlich zu einer abnehmenden Partikelausbeute. Der Prozess entfernt etwa 1 bis 5% der Bodenprobe und etwa das 2- bis 3-fache dieses Anteils an organischem Kohlenstoff. Wie bei anderen Partikelentfernungsmethoden ist der Endpunkt willkürlich und nicht alle freien Partikel werden entfernt. Der Prozess dauert ca. 5 minuten und erfordert keinen chemischen Prozess wie Dichteflotationsmethoden. Die elektrostatische Anziehung entfernt konsequent Material mit überdurchschnittlicher C-Konzentration und C: N-Verhältnis, und ein Großteil des Materials kann unter einem Mikroskop visuell als Pflanzen- oder Faunenmaterial identifiziert werden.

Introduction

Genaue Schätzungen des organischen Kohlenstoffs (SOC) im Boden sind wichtig für die Bewertung von Veränderungen, die sich aus der landwirtschaftlichen Bewirtschaftung oder der Umwelt ergeben. Partikuläre organische Substanz (POM) hat wichtige Funktionen in der Ökologie und Physik eines Bodens, aber es ist oft kurzlebig und variiert basierend auf mehreren Faktoren, einschließlich Jahreszeit, Feuchtigkeitsbedingungen, Belüftung, Probenentnahmetechniken, jüngste Bodenmanagement, Vegetationslebenszyklus und andere¹. Diese zeitlich instabilen Quellen können Schätzungen langfristiger Trends in stabilem und wirklich sequestriertem organischem Kohlenstoff im Boden^{verwirren 2}.

Obwohl POM gut definiert, häufig und wichtig ist, lässt es sich weder leicht vom Boden trennen, noch ist es einfach, es quantitativ zu messen. Es wurden organische Partikel gemessen als das, was in Flüssigkeiten schwimmt (leichte Fraktion, typischerweise 1,4-2,2 g cm^-3),oder als das, was nach Größe getrennt werden kann (z. B. > 53-250 μm oder > 250 μm), oder eine Kombination der^{beiden 3,4,5}. Sowohl größenbasierte als auch dichtebasierte Techniken können die quantitativen und chemischen Ergebnisse der POM-Messung beeinflussen⁴. Eine sorgfältige visuelle Inspektion des Bodens, der mit Routinemethoden größenfraktioniert wurde, zeigt oft lange, schmale Strukturen wie Wurzeln und Blatt- oder Stängelsplitter, die den Bildschirm passiert haben. Es hat sich gezeigt, dass das einfache Entfernen dieser Strukturen von Hand die Messungen des Gesamt-SOC²,⁶ erheblich^reduziert,aber die Methode unterliegt insbesondere der Sorgfalt und Sehschärfe des Bedieners. POM-Trennung von einer Bodenprobe als leichte Fraktion während der Flotation in einer dichten Flüssigkeit⁷ fängt nicht alle POM ein, und übermäßiges Schütteln während des Flotationsprozesses kann tatsächlich die Menge an Lichtfraktion reduzieren, die aus einer Probe gewonnen wird⁸. Die Flotation erfordert viele Schritte und setzt den Boden chemischen Lösungen aus, die die chemischen Eigenschaften verändern oder Bestandteile auflösen und entfernen können, die von Interesse sein könnten⁴.

Alternative Methoden zur Entfernung von POM wurden verwendet, um die Verwendung von dichten wässrigen Lösungen zu vermeiden oder zu verstärken. Kirkby, et al.⁶ verglichen die Entfernung leichter Fraktionen mit zwei Flotationsverfahren mit einer Trockensieb-/Winnowing-Methode⁹. Winnowing wurde durchgeführt, indem ein leichter Luftstrom über eine dünne Bodenschicht geleitet wurde, um das Licht sanft von der schweren Fraktion abzuheben. Das Trockensieben/Winnowing erfolgte ähnlich wie bei den beiden Flotationsverfahren in Bezug auf den Gehalt an C, N, P und S; Die Autoren schlagen jedoch vor, dass trockenes Sieben/Winnowing “etwas sauberere” Böden erzeugte⁶. POM wurde auch mit elektrostatischer Anziehung¹⁰,¹¹ vom Boden^getrennt,bei der organische Partikel isoliert werden, indem eine elektrostatisch geladene Oberfläche über dem Boden passiert wird. Mit dem elektrostatischen Anziehungsverfahren konnte POM, sogenanntes Kursorganische Partikel, aus getrockneten, gesiebten (> 0,315 mm) Böden mit statistischer Wiederholgenauigkeit gewonnen werden, die mit anderen Methoden der Größen- und Dichtefraktionierung vergleichbar^{ist 10}.

Hier zeigen wir, wie elektrostatische Anziehung genutzt werden kann, um POM von Größen von sichtbar bis mikroskopisch zu entfernen. Im Gegensatz zu anderen berichteten Methoden entfernt die elektrostatische Anziehung von feinem Boden auch einen kleinen Teil des mineralischen und aggregierten Bodens, der sichtbar wie der verbleibende Boden ist. Angesichts unserer bisherigen Ergebnisse ist davon auszugehen, dass die Entfernung eines kleinen Teils des Nicht-POM-Bodens keine wesentlichen Auswirkungen auf die nachgelagerten Analysen haben wird; Diese Annahme sollte jedoch für einen bestimmten Boden überprüft werden, wenn große Teile der gesamten Bodenprobe elektrostatisch entnommen werden. Die hier angeführten Methoden und Beispiele wurden auf Schlufflehm-Lössböden aus einer semiariden Umgebung durchgeführt.

Diese Methode ist möglicherweise nicht für alle Bodentypen geeignet, hat aber den Vorteil, dass sie schnell und effizient organische Partikel entfernt, die zu klein sind, um sie manuell oder durch einen Luftstrom zu entfernen. Die Prozessgeschwindigkeit ist wichtig, um Ermüdung zu reduzieren, Konsistenz zu gewährleisten und eine größere Replikation für eine bessere Genauigkeit der Schlussfolgerungen zu fördern. Darüber hinaus ist die Fähigkeit, sehr kleine Partikel zu entfernen, wichtig, um Verzerrungen gegenüber Böden mit größeren statt kleinen Partikelgrößen zu vermeiden.

Protocol

1. Bodenvorbereitung Sammeln Sie Bodenproben in der gewünschten Tiefe. Trocknen Sie den Boden gründlich bei 40 °C oder nach laborspezifischen Standardprotokollen. Sieben Sie den Boden durch bodensebgemischte Siebe, um ca. 10-25 g gesiebten Boden zu erhalten. Viele Studien verwenden ein 1- oder 2-mm-Sieb. Die Bodenmenge basiert auf der Masse, die für die nachgelagerten Analysen erforderlich ist, und beeinflusst die Häufigkeit, mit der der elektrostatische Entfernungsschritt wiederholt werden muss….

Representative Results

Die hier vorgestellten Ergebnisse basieren auf der Analyse von Schlufflehmböden aus landwirtschaftlichen Standorten im pazifischen Nordwesten (Tabelle 1). Die Böden wurden bis zu einer Tiefe von 0-20 cm oder 0-30 cm gesammelt, bei 40 °C getrocknet, durch ein 2 mm-Sieb geleitet und mit einer mit einem Nylontuch aufgeladenen Polystyroloberfläche behandelt. Die Menge an Elektrostatisch aus einer Probe entnommen…

Discussion

Die elektrostatische Anziehungsmethode war wirksam bei der Entfernung von POM aus den Schlammlehmböden. Die hier beschriebene Methode unterscheidet sich geringfügig von Kaiser et al.^10, die eine Kombination aus Glas / Baumwolle verwendeten. Wir behandelten alle bis auf die feinste Bodenfraktion und verwendeten Polystyrol anstelle von Glas aufgrund des triboelektrischen Unterschieds, der für Polystyrol / Nylon 100 nC / J im Vergleich zu Glas / Baumwolle bei 20 nC / J^{12 beträgt…}

Materials

brush, camel-hair
petri dish, glass or plastic
polystyrene foam, cotton or nylon cloth
soil
soil sieves