Utilisation du fractionnement de la densité du sol pour séparer les réservoirs de carbone distincts du sol
Summary
Le fractionnement de la densité du sol sépare la matière organique du sol en bassins distincts avec des mécanismes de stabilisation, des chimies et des temps de renouvellement différents. Les solutions de polytungstate de sodium avec des densités spécifiques permettent la séparation de la matière organique particulaire libre et de la matière organique associée aux minéraux, ce qui donne des fractions de matière organique appropriées pour décrire la réponse du sol à la gestion et au changement climatique.
Abstract
La matière organique du sol (SOM) est un mélange complexe de différents composés qui vont des composants végétaux libres et partiellement dégradés aux composés plus modifiés sur le plan microbien conservés dans les agrégats du sol en passant par les sous-produits microbiens hautement transformés avec de fortes associations avec les minéraux réactifs du sol. Les pédologues ont eu du mal à trouver des moyens de séparer le sol en fractions facilement mesurables et utiles pour la modélisation du carbone (C) du sol. Le fractionnement du sol en fonction de la densité est de plus en plus utilisé, et il est facile à réaliser et donne des pools C en fonction du degré d’association entre le SOM et différents minéraux; ainsi, le fractionnement de la densité du sol peut aider à caractériser le SOM et à identifier les mécanismes de stabilisation du SOM. Cependant, les protocoles de fractionnement de la densité du sol rapportés varient considérablement, ce qui rend les résultats de différentes études et écosystèmes difficiles à comparer. Ici, nous décrivons une procédure robuste de fractionnement de densité qui sépare les matières organiques associées aux particules et aux minéraux et expliquons les avantages et les inconvénients de la séparation du sol en deux, trois ou plusieurs fractions de densité. Ces fractions diffèrent souvent par leur composition chimique et minérale, leur temps de renouvellement et leur degré de traitement microbien, ainsi que par leur degré de stabilisation minérale.
Introduction
Le sol est la plus grande réserve de carbone terrestre (C), contenant plus de 1 500 Pg de C dans le top 1 m et presque le double de cette quantité dans les niveaux plus profonds à l’échelle mondiale, ce qui signifie que le sol contient plus de C que la biomasse végétale et l’atmosphère combinées1. La matière organique du sol (SOM) retient l’eau et les nutriments du sol et est essentielle à la productivité des plantes et au fonctionnement de l’écosystème terrestre. Malgré la reconnaissance mondiale de l’importance de stocks de MOS adéquats pour la santé des sols et la productivité agricole, les stocks de carbone dans le sol ont été considérablement épuisés en raison de la gestion non durable des forêts et de l’agriculture, des changements du paysage et du réchauffement climatique 2,3. L’intérêt accru pour la restauration de la santé des sols et l’utilisation de la rétention du carbone dans le sol en tant qu’acteur clé dans les solutions climatiques naturelles a conduit à des efforts pour comprendre les facteurs qui contrôlent la séquestration et la stabilisation du carbone dans divers environnements 4,5.
La matière organique du sol (SOM) est un mélange complexe de différents composés qui vont des composants végétaux libres et partiellement dégradés aux composés plus modifiés sur le plan microbien conservés dans les agrégats du sol (définis ici comme un matériau formé par la combinaison d’unités ou d’éléments distincts) en passant par les sous-produits microbiens hautement transformés fortement associés aux minéraux réactifs du sol6 . Dans les cas où il n’est pas pratique d’identifier l’ensemble des composés individuels dans le SOM, les chercheurs se concentrent souvent sur l’identification d’un plus petit nombre de réservoirs fonctionnels de C qui existent en tant que réalités physiques et qui varient selon les taux de rotation, la composition chimique générale et le degré de stabilisation avec les composants minéraux du sol1, 7. Pour que les bassins puissent être interprétés et modélisés de manière critique, il est essentiel que les bassins séparés soient peu nombreux, directement mesurables plutôt que simplement théoriques et présentent des différences claires dans la composition et la réactivité8.
De nombreuses techniques différentes, à la fois chimiques et physiques, ont été utilisées pour isoler des mares significatives de C dans le sol, et celles-ci sont bien résumées par von Lützow et al.9 et Poeplau et al.10. Les techniques d’extraction chimique visent à isoler des pools spécifiques, tels que C associé à Fe et Al11 peu cristallins ou cristallins. Des solvants organiques ont été utilisés pour extraire des composés spécifiques tels que les lipides12, et l’hydrolyse ou l’oxydation du SOM a été utilisée comme mesure d’un pool labile deC13,14. Cependant, aucune de ces méthodes d’extraction ne catégorise tous les pools de C en fractions mesurables ou modélisables. Le fractionnement physique du sol classe tout le C du sol en bassins en fonction de leur taille et suppose que la décomposition des débris végétaux entraîne une fragmentation et des particules de plus en plus petites. Bien que la taille seule ne puisse pas séparer les débris végétaux libres des SOM15 associés aux minéraux, la quantification de ces deux bassins est essentielle pour comprendre la stabilisation du carbone dans le sol en raison des différences spatiales, physiques et biogéochimiques communes dans la formation et le renouvellement16.
Le fractionnement du C du sol en fonction de la densité est de plus en plus utilisé, et il est facile à réaliser et identifie différents réservoirs de C en fonction du degré d’association avec différents minéraux17,18,19; ainsi, le fractionnement de la densité du sol peut aider à élucider différents mécanismes de stabilisation du carbone du sol. La principale exigence pour que le sol soit fractionné est la capacité de disperser complètement les particules organiques et minérales. Une fois dispersée, la matière organique dégradée qui est relativement exempte de minéraux flotte dans des solutions plus légères que ~ 1,85 g / cm 3, tandis que les minéraux tombent généralement dans la gamme de 2-4,5 g / cm 3, bien que les oxydes de fer puissent avoir des densités allant jusqu’à 5,3 g / cm3. La fraction particulaire légère ou libre a tendance à avoir un temps de renouvellement plus court (sauf en cas de contamination importante par le charbon de bois) et s’est avérée très sensible à la culture et à d’autres perturbations. La fraction lourde (>1,85 g/cm3) ou associée aux minéraux a souvent un temps de renouvellement plus long en raison de la résistance à la décomposition microbienne acquise lorsque les molécules organiques se lient aux surfaces minérales réactives. Cependant, la fraction lourde peut saturer (c’est-à-dire atteindre une limite supérieure pour la capacité de complexation minérale), tandis que la fraction légère peut théoriquement s’accumuler presque indéfiniment. Ainsi, la compréhension de la répartition physique de la matière organique dans les réserves de matière organique associée aux minéraux par rapport à la matière organique particulaire aide à élucider quels écosystèmes peuvent être gérés pour une séquestration efficace du carbone et comment différents systèmes réagiront au changement climatique et à l’évolution des modèles de perturbation anthropique20.
Alors que l’utilisation du fractionnement de densité à l’aide de solutions de polytungstate de sodium à différentes densités a considérablement augmenté au cours de la dernière décennie, les techniques et les protocoles varient considérablement, ce qui rend les résultats de différentes études et de différents écosystèmes difficiles à comparer. Bien qu’il ait été démontré qu’une densité de 1,85 g/cm3 permet de récupérer la plus grande quantité de fraction de lumière libre avec une inclusion minimale de matière organique associée aux minéraux (MAOM)17, de nombreuses études ont utilisé des densités allant de 1,65 à 2,0 g/cm3. Alors que la plupart des études ont fractionné les sols en seulement deux bassins (une fraction légère et une fraction lourde, ci-après LF et HF), d’autres études ont utilisé des densités multiples pour affiner davantage la fraction lourde en bassins qui diffèrent par les minéraux auxquels ils sont associés, le rapport relatif des minéraux au revêtement organique ou le degré d’agrégation (p. ex., Sollins et coll.17, Sollins et coll.18, Hatton et coll.21, Lajtha et coll.22, Yeasmin et coll.23, Wagai et coll.24, Volk et coll.25). De plus, des procédures de fractionnement plus complexes ont été suggérées qui combinent à la fois la séparation de la taille et de la densité, ce qui donne un plus grand nombre de bassins (p. ex. Yonekura et al.26, Virto et al.27, Moni et al.15, Poeplau et al.10), mais aussi une plus grande marge d’erreur, tant dans la méthodologie que par rapport à la taille du bassin. En outre, les auteurs ont également utilisé la sonication à des intensités et des moments variés dans le but de disperser les agrégats et MAOM des surfaces minérales28,29,30.
Ici, nous décrivons une procédure robuste de fractionnement de densité qui identifie, d’abord, deux réservoirs uniques de carbone du sol (LF et HF, ou POM et MAOM), et nous proposons à la fois les techniques et les arguments pour séparer davantage le pool HF en fractions supplémentaires qui diffèrent en fonction de leur minéralogie, de leur degré de revêtement organique ou de leur agrégation. Il a été démontré que les fractions identifiées ici diffèrent en termes de composition chimique, de temps de rotation, de degré de traitement microbien et de degré de stabilisation minérale18,19.
La procédure suivante sépare le sol en vrac en matière organique particulaire (POM) et en matière organique associée aux minéraux (MAOM) en mélangeant une quantité connue de sol dans une solution avec une densité spécifique. L’efficacité de la procédure est mesurée par la récupération combinée de la masse du sol et du carbone par rapport à la masse initiale de l’échantillon de sol et à la teneur en C. Une solution dense est obtenue en dissolvant le polytungstate de sodium (SPT) dans de l’eau désionisée. Le sol est d’abord mélangé avec la solution dense de SPT et agité pour bien mélanger et disperser les agrégats du sol. La centrifugation est ensuite utilisée pour séparer les matériaux du sol qui flottent (fraction légère) ou coulent (fraction lourde) dans la solution. Les étapes de mélange, d’isolation, de récupération et de lavage sont répétées plusieurs fois pour assurer la séparation des fractions légères et lourdes, ainsi que l’élimination des SPT du matériau. Enfin, les fractions du sol sont séchées, pesées et analysées pour la teneur en C. Le matériau fractionné peut être utilisé pour des procédures et des analyses ultérieures.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tout au long du protocole de fractionnement de la densité du sol, il y a quelques procédures spécifiques qui doivent être surveillées de près pour aider à réduire les erreurs dans la séparation et l’analyse des fractions du sol. Une étape critique de la procédure de fractionnement de la densité du sol consiste à vérifier à plusieurs reprises la densité de la solution de SPT. L’humidité dans l’échantillon de sol dilue souvent la solution de SPT, abaissant ainsi la densité de la SPT. Par conséquen…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Pour ce travail, le soutien a été fourni par les subventions DEB-1257032 de la National Science Foundation à K.L. et DEB-1440409 au programme de recherche écologique à long terme de H. J. Andrews.
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 |
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