Använda jorddensitetsfraktionering för att separera distinkta markkolpooler
Summary
Jorddensitetsfraktionering separerar organiskt material i olika pooler med olika stabiliseringsmekanismer, kemier och omsättningstider. Natriumpolyvolframatlösningar med specifika densiteter möjliggör separation av fritt partikelformigt organiskt material och mineralassocierat organiskt material, vilket resulterar i fraktioner av organiskt material som är lämpliga för att beskriva markens respons på förvaltning och klimatförändringar.
Abstract
Organiskt material i marken (SOM) är en komplicerad blandning av olika föreningar som spänner över intervallet från fria, delvis nedbrutna växtkomponenter till mer mikrobiellt förändrade föreningar som hålls i jordaggregaten till mycket bearbetade mikrobiella biprodukter med starka föreningar med reaktiva jordmineraler. Jordforskare har kämpat för att hitta sätt att separera marken i fraktioner som är lätt mätbara och användbara för modellering av markkol (C). Fraktionering av jord baserad på densitet används alltmer, och den är lätt att utföra och ger C-pooler baserat på graden av samband mellan SOM och olika mineraler; Således kan jorddensitetsfraktionering hjälpa till att karakterisera SOM och identifiera SOM-stabiliseringsmekanismer. De rapporterade jorddensitetsfraktioneringsprotokollen varierar dock avsevärt, vilket gör resultaten från olika studier och ekosystem svåra att jämföra. Här beskriver vi ett robust densitetsfraktioneringsförfarande som separerar partikel- och mineralassocierat organiskt material och förklarar fördelarna och nackdelarna med att separera jord i två, tre eller flera densitetsfraktioner. Sådana fraktioner skiljer sig ofta i deras kemiska och mineraliska sammansättning, omsättningstid och grad av mikrobiell bearbetning, liksom graden av mineralstabilisering.
Introduction
Marken är det största lagret av terrestert kol (C), som innehåller uppåt 1,500 Pg C i topp 1 m och nästan dubbelt så mycket i djupare nivåer globalt, vilket innebär att marken innehåller mer C än växtbiomassa och atmosfären kombinerad1. Organiskt material i marken (SOM) behåller vatten och näringsämnen i marken och är avgörande för växternas produktivitet och det terrestra ekosystemets funktion. Trots det globala erkännandet av vikten av tillräckliga SOM-lager för markhälsa och jordbruksproduktivitet har markens C-lager utarmats avsevärt på grund av ohållbar skogs- och jordbruksförvaltning, landskapsförändringar och klimatuppvärmning 2,3. Ökat intresse för att återställa markhälsan och att använda bindning av mark C som en nyckelaktör i naturliga klimatlösningar har lett till ansträngningar för att förstå de faktorer som styr bindning och stabilisering av mark C i olika miljöer 4,5.
Organiskt material i marken (SOM) är en komplicerad blandning av olika föreningar som spänner över intervallet från fria, delvis nedbrutna växtkomponenter till mer mikrobiellt förändrade föreningar som hålls i jordaggregaten (definieras här som ett material som bildas genom kombinationen av separata enheter eller föremål) till mycket bearbetade mikrobiella biprodukter med starka föreningar med reaktiva jordmineraler6 . I de fall där det är opraktiskt att identifiera hela sviten av enskilda föreningar i SOM, fokuserar utredare ofta på att identifiera ett mindre antal funktionella pooler av C som existerar som fysiska realiteter och som varierar beroende på omsättningshastigheter, allmän kemisk sammansättning och graden av stabilisering med jordens mineralkomponenter1, 7. För att pooler ska kunna tolkas kritiskt och modelleras är det viktigt att de separerade poolerna är små i antal, är direkt mätbara snarare än bara teoretiska och uppvisar tydliga skillnader i sammansättning och reaktivitet8.
Många olika tekniker, både kemiska och fysiska, har använts för att isolera meningsfulla pooler av jord C, och dessa sammanfattas väl av von Lützow et al.9 och Poeplau et al.10. Kemiska extraktionstekniker syftar till att isolera specifika pooler, såsom C associerade med antingen dåligt kristallin eller kristallin Fe och Al11. Organiska lösningsmedel har använts för att extrahera specifika föreningar såsom lipider12, och antingen hydrolys eller oxidation av SOM har använts som ett mått på en labil pool av C13,14. Ingen av dessa extraktionsmetoder kategoriserar emellertid alla pooler av C i mätbara eller modellerbara fraktioner. Den fysiska fraktioneringen av jord kategoriserar all jord C i pooler baserat på storlek och antar att nedbrytningen av växtskräp resulterar i fragmentering och allt mindre partiklar. Även om storleken ensam inte kan skilja fritt växtskräp från mineralassocierat SOM15, är kvantifiering av dessa två pooler avgörande för förståelsen av markens C-stabilisering på grund av vanliga rumsliga, fysiska och biogeokemiska skillnader i bildning och omsättning16.
Fraktioneringen av jord C baserat på densitet används alltmer, och det är lätt att utföra och identifierar olika pooler av C baserat på graden av association med olika mineraler17,18,19; Således kan jorddensitetsfraktionering hjälpa till att belysa olika jord-C-stabiliseringsmekanismer. Det primära kravet för att jorden ska fraktioneras är förmågan att fullständigt sprida de organiska och mineraliska partiklarna. När det är dispergerat flyter nedbrutet organiskt material som är relativt fritt från mineraler i lösningar lättare än ~ 1,85 g / cm 3, medan mineraler vanligtvis faller i intervallet 2-4,5 g / cm 3, även om järnoxider kan ha densiteter upp till 5,3 g / cm3. Den lätta eller fria partikelfraktionen tenderar att ha kortare omsättningstid (såvida det inte finns betydande förorening av kol) och har visat sig vara mycket mottaglig för odling och andra störningar. Den tunga (>1,85 g / cm3) eller mineralassocierade fraktionen har ofta en längre omsättningstid på grund av motståndet mot mikrobiellt medierad sönderdelning som erhålls när organiska molekyler binder med reaktiva mineralytor. Den tunga fraktionen kan dock mättas (dvs nå en övre gräns för mineralkomplexeringskapacitet), medan den lätta fraktionen teoretiskt kan ackumuleras nästan på obestämd tid. Att förstå den fysiska fördelningen av organiskt material i pooler av mineralassocierat kontra partikelformigt organiskt material hjälper således till att belysa vilka ekosystem som kan hanteras för effektiv kolbindning och hur olika system kommer att reagera på klimatförändringar och skiftande mönster av antropogena störningar20.
Medan användningen av densitetsfraktionering med lösningar av natriumpolytungstat vid olika densiteter har ökat kraftigt under det senaste decenniet, varierar teknikerna och protokollen avsevärt, vilket gör resultaten från olika studier och olika ekosystem svåra att jämföra. Även om en densitet på 1,85 g/cm3 har visat sig återvinna den största mängden fri ljusfraktion med minimal inkludering av mineralassocierat organiskt material (MAOM)17, har många studier använt densiteter från 1,65-2,0 g/cm3. Medan de flesta studier har fraktionerat jordar i bara två pooler (en lätt fraktion och en tung fraktion, nedan LF och HF), har andra studier använt flera densiteter för att ytterligare förfina den tunga fraktionen till pooler som skiljer sig åt av de mineraler som de är associerade med, det relativa förhållandet mellan mineraler och organisk beläggning eller graden av aggregering (t.ex. 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). Dessutom har mer komplexa fraktioneringsförfaranden föreslagits som kombinerar både storleks- och densitetsseparation, vilket resulterar i ett större antal pooler (t.ex. Yonekura et al.26, Virto et al.27, Moni et al.15, Poeplau et al.10) men också mer utrymme för fel, både i metoden och i förhållande till poolstorleken. Vidare har författare också använt ultraljudsbehandling vid olika intensiteter och tider i ett försök att sprida aggregat och MAOM från mineralytor28,29,30.
Här beskriver vi en robust densitetsfraktioneringsprocedur som först identifierar två unika pooler av markkol (LF och HF, eller POM och MAOM), och vi erbjuder både teknikerna och argumenten för att ytterligare separera HF-poolen i ytterligare fraktioner som skiljer sig åt baserat på deras mineralogi, grad av organisk beläggning eller aggregering. De fraktioner som identifieras här har visat sig skilja sig åt med avseende på deras kemiska sammansättning, omsättningstid, grad av mikrobiell bearbetning och grad av mineralstabilisering18,19.
Följande procedur separerar bulkjord i partikelformigt organiskt material (POM) och mineralassocierat organiskt material (MAOM) genom att blanda en känd mängd jord i en lösning med en specifik densitet. Metodens effektivitet mäts genom den kombinerade återvinningen av jordmassa och kol i förhållande till den ursprungliga jordprovsmassan och C-halten. En tät lösning uppnås genom upplösning av natriumpolytungstate (SPT) i avjoniserat vatten. Marken blandas initialt med den täta SPT-lösningen och omrörs för att noggrant blanda och sprida jordaggregaten. Centrifugering används sedan för att separera jordmaterialen som antingen flyter (lätt fraktion) eller sjunker (tung fraktion) i lösningen. Blandnings-, isolerings-, återvinnings- och tvättstegen upprepas flera gånger för att säkerställa separationen av de lätta och tunga fraktionerna, tillsammans med avlägsnandet av SPT från materialet. Slutligen torkas, vägs och analyseras jordfraktionerna för C-innehåll. Det fraktionerade materialet får användas för efterföljande förfaranden och analyser.
Protocol
Representative Results
Discussion
I hela jorddensitetsfraktioneringsprotokollet finns det några specifika procedurer som måste övervakas noggrant för att minska fel i separationen och analysen av jordfraktionerna. Ett kritiskt steg i jorddensitetsfraktioneringsförfarandet är att upprepade gånger verifiera SPT-lösningens densitet. Fukt i jordprovet kommer ofta att späda SPT-lösningen, vilket sänker SPT: s densitet. Därför måste forskaren alltid se till att fullständig separation av de lätta och tunga lösningarna har uppnåtts efter centri…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
För detta arbete gavs stöd från National Science Foundation Grants DEB-1257032 till K.L. och DEB-1440409 till HJ Andrews Long Term Ecological Research program.
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 |
References
- Jackson, R. B., et al. The ecology of soil carbon: Pools, vulnerabilities, and biotic and abiotic controls. Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics. 48, 419-445 (2017).
- Crowther, T. W., et al. Quantifying global soil carbon losses in response to warming. Nature. 540 (7631), 104-108 (2016).
- Deng, L., Zhu, G., Tang, Z., Shangguan, Z. Global patterns of the effects of land-use changes on soil carbon stocks. Global Ecology and Conservation. 5, 127-138 (2016).
- Griscom, B. W., et al. Natural climate solutions. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 114 (44), 11645-11650 (2017).
- Fargione, J. E., et al. Natural climate solutions for the United States. Science Advances. 4 (11), (2018).
- Kögel-Knabner, I., Rumpel, C. Advances in molecular approaches for understanding soil organic matter composition, origin, and turnover: A historical overview. Advances in Agronomy. 149, 1-48 (2018).
- Schmidt, M. W. I., et al. Persistence of soil organic matter as an ecosystem property. Nature. 478 (7367), 49-56 (2011).
- Billings, S. A., et al. Soil organic carbon is not just for soil scientists: Measurement recommendations for diverse practitioners. Ecological Applications. 31 (3), 02290 (2021).
- von Lützow, M., et al. SOM fractionation methods: Relevance to functional pools and to stabilization mechanisms. Soil Biology and Biochemistry. 39 (9), 2183-2207 (2007).
- Poeplau, C., et al. Isolating organic carbon fractions with varying turnover rates in temperate agricultural soils – A comprehensive method comparison. Soil Biology and Biochemistry. 125, 10-26 (2018).
- Heckman, K., Lawrence, C. R., Harden, J. W. A sequential selective dissolution method to quantify storage and stability of organic carbon associated with Al and Fe hydroxide phases. Geoderma. 312, 24-35 (2018).
- Frostegård, &. #. 1. 9. 7. ;., Tunlid, A., Bååth, E. Microbial biomass measured as total lipid phosphate in soils of different organic content. Journal of Microbiological Methods. 14 (3), 151-163 (1991).
- Plante, A. F., Conant, R. T., Paul, E. A., Paustian, K., Six, J. Acid hydrolysis of easily dispersed and microaggregate-derived silt- and clay-sized fractions to isolate resistant soil organic matter. European Journal of Soil Science. 57 (4), 456-467 (2006).
- Eusterhues, K., Rumpel, C., Kögel-Knabner, I. Stabilization of soil organic matter isolated via oxidative degradation. Organic Geochemistry. 36 (11), 1567-1575 (2005).
- Moni, C., Derrien, D., Hatton, P. -. J., Zeller, B., Kleber, M. Density fractions versus size separates: does physical fractionation isolate functional soil compartments. Biogeosciences. 9 (12), 5181-5197 (2012).
- Lavallee, J. M., Soong, J. L., Cotrufo, M. F. Conceptualizing soil organic matter into particulate and mineral-associated forms to address global change in the 21st century. Global Change Biology. 26 (1), 261-273 (2020).
- Sollins, P., et al. Organic C and N stabilization in a forest soil: Evidence from sequential density fractionation. Soil Biology and Biochemistry. 38 (11), 3313-3324 (2006).
- Sollins, P., et al. Sequential density fractionation across soils of contrasting mineralogy: evidence for both microbial- and mineral-controlled soil organic matter stabilization. Biogeochemistry. 96 (1-3), 209-231 (2009).
- Crow, S. E., Swanston, C. W., Lajtha, K., Brooks, J. R., Keirstead, H. Density fractionation of forest soils: methodological questions and interpretation of incubation results and turnover time in an ecosystem context. Biogeochemistry. 85 (1), 69-90 (2007).
- Cotrufo, M. F., Ranalli, M. G., Haddix, M. L., Six, J., Lugato, E. Soil carbon storage informed by particulate and mineral-associated organic matter. Nature Geoscience. 12 (12), 989-994 (2019).
- Hatton, P. -. J., et al. Transfer of litter-derived N to soil mineral-organic associations: Evidence from decadal 15N tracer experiments. Organic Geochemistry. 42 (12), 1489-1501 (2012).
- Lajtha, K., et al. Changes to particulate versus mineral-associated soil carbon after 50 years of litter manipulation in forest and prairie experimental ecosystems. Biogeochemistry. 119 (1-3), 341-360 (2014).
- Yeasmin, S., Singh, B., Johnston, C. T., Sparks, D. L. Organic carbon characteristics in density fractions of soils with contrasting mineralogies. Geochimica et Cosmochimica Acta. 218, 215-236 (2017).
- Wagai, R., Kajiura, M., Asano, M., Hiradate, S. Nature of soil organo-mineral assemblage examined by sequential density fractionation with and without sonication: Is allophanic soil different. Geoderma. 241-242, 295-305 (2015).
- Volk, M., Bassin, S., Lehmann, M. F., Johnson, M. G., Andersen, C. P. 13C isotopic signature and C concentration of soil density fractions illustrate reduced C allocation to subalpine grassland soil under high atmospheric N deposition. Soil Biology and Biochemistry. 125, 178-184 (2018).
- Yonekura, Y., et al. Soil organic matter dynamics in density and particle-size fractions following destruction of tropical rainforest and the subsequent establishment of Imperata grassland in Indonesian Borneo using stable carbon isotopes. Plant and Soil. 372 (1-2), 683-699 (2013).
- Virto, I., Moni, C., Swanston, C., Chenu, C. Turnover of intra- and extra-aggregate organic matter at the silt-size scale. Geoderma. 156 (1-2), 1-10 (2010).
- Poeplau, C., et al. Reproducibility of a soil organic carbon fractionation method to derive RothC carbon pools. European Journal of Soil Science. 64 (6), 735-746 (2013).
- Cerli, C., Celi, L., Kalbitz, K., Guggenberger, G., Kaiser, K. Separation of light and heavy organic matter fractions in soil – Testing for proper density cut-off and dispersion level. Geoderma. 170, 403-416 (2012).
- Kaiser, K., Guggenberger, G. Distribution of hydrous aluminium and iron over density fractions depends on organic matter load and ultrasonic dispersion. Geoderma. 140 (1-2), 140-146 (2007).
- Helbling, E., Pierson, D., Lajtha, K. Sources of soil carbon loss during soil density fractionation: Laboratory loss or seasonally variable soluble pools. Geoderma. 382, 114776 (2021).
- Nelson, D. W., Sommers, L. E., Sparks, D. L., Page, A. L., Helmke, P. A., Loeppert, R. H. Total carbon, organic carbon, and organic matter. Methods of Soil Analysis: Part 3 Chemical Methods. , 539-579 (2015).
- Pierson, D., et al. Mineral stabilization of soil carbon is suppressed by live roots, outweighing influences from litter quality or quantity. Biogeochemistry. 154 (3), 433-449 (2021).
- Kramer, M. G., Lajtha, K., Thomas, G., Sollins, P. Contamination effects on soil density fractions from high N or C content sodium polytungstate. Biogeochemistry. 92 (1-2), 177-181 (2009).
- Throop, H. L., Lajtha, K., Kramer, M. Density fractionation and 13C reveal changes in soil carbon following woody encroachment in a desert ecosystem. Biogeochemistry. 112 (1-3), 409-422 (2013).
- Amelung, W., Zech, W. Minimisation of organic matter disruption during particle-size fractionation of grassland epipedons. Geoderma. 92 (1-2), 73-85 (1999).
- Kaiser, M., Asefaw Berhe, A. How does sonication affect the mineral and organic constituents of soil aggregates?-A review. Journal of Plant Nutrition and Soil Science. 177 (4), 479-495 (2014).
