Nutzung der Bodendichtefraktionierung zur Trennung unterschiedlicher Bodenkohlenstoffspeicher

Summary

Die Bodendichtefraktionierung trennt die organische Bodensubstanz in verschiedene Pools mit unterschiedlichen Stabilisierungsmechanismen, Chemikalien und Umschlagzeiten. Natriumpolywolframatlösungen mit spezifischen Dichten ermöglichen die Trennung von freiem partikulärem organischem Material und mineralassoziiertem organischem Material, was zu Fraktionen organischer Substanz führt, die zur Beschreibung der Reaktion des Bodens auf Bewirtschaftung und Klimawandel geeignet sind.

Abstract

Organische Bodensubstanz (SOM) ist eine komplizierte Mischung aus verschiedenen Verbindungen, die den Bereich von freien, teilweise abgebauten Pflanzenbestandteilen über mikrobiell veränderte Verbindungen, die in den Bodenaggregaten gehalten werden, bis hin zu hochverarbeiteten mikrobiellen Nebenprodukten mit starken Assoziationen mit reaktiven Bodenmineralien umfasst. Bodenwissenschaftler haben sich bemüht, Wege zu finden, den Boden in Fraktionen zu trennen, die leicht messbar und für die Modellierung von Bodenkohlenstoff (C) nützlich sind. Die Fraktionierung des Bodens auf der Grundlage der Dichte wird zunehmend verwendet, und sie ist einfach durchzuführen und liefert C-Pools basierend auf dem Grad der Assoziation zwischen dem SOM und verschiedenen Mineralien; Daher kann die Bodendichtefraktionierung helfen, das SOM zu charakterisieren und SOM-Stabilisierungsmechanismen zu identifizieren. Die berichteten Protokolle zur Fraktionierung der Bodendichte variieren jedoch erheblich, so dass die Ergebnisse verschiedener Studien und Ökosysteme schwer zu vergleichen sind. Hier beschreiben wir ein robustes Dichtefraktionierungsverfahren, das partikuläre und mineralassoziierte organische Stoffe trennt, und erläutern die Vor- und Nachteile der Trennung des Bodens in zwei, drei oder mehr Dichtefraktionen. Solche Fraktionen unterscheiden sich häufig in ihrer chemischen und mineralischen Zusammensetzung, der Umlaufzeit und dem Grad der mikrobiellen Verarbeitung sowie dem Grad der Mineralstabilisierung.

Introduction

Der Boden ist der größte Speicher an terrestrischem Kohlenstoff (C) und enthält mehr als 1.500 Pg C in den oberen 1 m und fast doppelt so viel in tieferen Schichten weltweit, was bedeutet, dass der Boden mehr C enthält als pflanzliche Biomasse und die Atmosphäre zusammen¹. Organische Bodensubstanz (SOM) speichert Wasser und Bodennährstoffe und ist für die Pflanzenproduktivität und die Funktion des terrestrischen Ökosystems unerlässlich. Trotz weltweiter Anerkennung der Bedeutung ausreichender SOM-Bestände für die Bodengesundheit und die landwirtschaftliche Produktivität sind die Boden-C-Bestände aufgrund nicht nachhaltiger Wald- und Landwirtschaftsbewirtschaftung, Landschaftsveränderungen und Klimaerwärmung erheblich erschöpft ^2,3. Das gestiegene Interesse an der Wiederherstellung der Bodengesundheit und an der Nutzung der Boden-C-Retention als Schlüsselakteur bei natürlichen Klimalösungen hat zu Bemühungen geführt, die die Sequestrierung und Stabilisierung von Boden-C in verschiedenen Umgebungen steuern ^4,5.

Organische Bodensubstanz (SOM) ist eine komplizierte Mischung verschiedener Verbindungen, die den Bereich von freien, teilweise abgebauten Pflanzenbestandteilen über mikrobiell veränderte Verbindungen in den Bodenaggregaten (hier definiert als ein Material, das durch die Kombination separater Einheiten oder Elemente gebildet wird) bis hin zu hochverarbeiteten mikrobiellen Nebenprodukten mit starken Assoziationen mit reaktiven Bodenmineralien umfasst⁶ . In Fällen, in denen es nicht praktikabel ist, die gesamte Palette der einzelnen Verbindungen im SOM zu identifizieren, konzentrieren sich die Forscher häufig auf die Identifizierung einer kleineren Anzahl von funktionellen C-Pools, die als physikalische Realitäten existieren und die sich nach Umsatzraten, allgemeiner chemischer Zusammensetzung und dem Grad der Stabilisierung mit den mineralischen Bestandteilen des Bodens unterscheiden^{1. 7}. Preise Damit die Pools kritisch interpretiert und modelliert werden können, ist es wichtig, dass die Anzahl der getrennten Pools gering ist, direkt messbar und nicht nur theoretisch ist und deutliche Unterschiede in der Zusammensetzung und Reaktivität aufweist⁸.

Viele verschiedene Techniken, sowohl chemische als auch physikalische, wurden eingesetzt, um sinnvolle Pools von Boden C zu isolieren, und diese werden von von Lützow et ^al.9 und Poeplau et ^al.10 gut zusammengefasst. Chemische Extraktionstechniken zielen darauf ab, bestimmte Pools zu isolieren, wie z. B. C, die entweder mit schlecht kristallinem oder kristallinem Fe und Al¹¹ assoziiert sind. Organische Lösungsmittel wurden verwendet, um spezifische Verbindungen wie Lipide¹² zu extrahieren, und entweder die Hydrolyse oder die Oxidation von SOM wurde als Maß für einen labilen Pool von C^13,14 verwendet. Keine dieser Extraktionsmethoden kategorisiert jedoch alle C-Pools in messbare oder modellierbare Fraktionen. Die physikalische Fraktionierung des Bodens kategorisiert alle Böden C nach Größe in Becken und geht davon aus, dass die Zersetzung von Pflanzenresten zu Fragmentierung und immer kleineren Partikeln führt. Obwohl die Größe allein freie Pflanzenreste nicht von mineralassoziiertem SOM¹⁵ trennen kann, ist die Quantifizierung dieser beiden Pools aufgrund gemeinsamer räumlicher, physikalischer und biogeochemischer Unterschiede in Bildung und Umsatz entscheidend für das Verständnis der Boden-C-Stabilisierung¹⁶.

Die Fraktionierung von Boden-C auf der Grundlage der Dichte wird zunehmend verwendet, und sie ist einfach durchzuführen und identifiziert verschiedene C-Pools basierend auf dem Grad der Assoziation mit verschiedenen Mineralien^17,18,19; Daher kann die Fraktionierung der Bodendichte dazu beitragen, unterschiedliche Stabilisierungsmechanismen des Bodens C aufzuklären. Die Hauptvoraussetzung für die Fraktionierung des Bodens ist die Fähigkeit, die organischen und mineralischen Partikel vollständig zu dispergieren. Nach dem Dispergieren schwimmt abgebaute organische Substanz, die relativ frei von Mineralien ist, in Lösungen, die leichter als ~ 1,85 g / cm 3 sind, während Mineralien typischerweise in den Bereich von 2 bis 4,5 g / cm 3 fallen, obwohl Eisenoxide Dichten von bis zu 5,3 g / cm³ haben können. Die leichte oder freie Partikelfraktion hat tendenziell eine kürzere Umschlagszeit (es sei denn, es liegt eine signifikante Kontamination durch Holzkohle vor) und es hat sich gezeigt, dass sie sehr gut auf Kultivierung und andere Störungen reagiert. Die schwere (>1,85 g^/cm3) oder mineralassoziierte Fraktion hat aufgrund der Resistenz gegen mikrobiell vermittelte Zersetzung, die entsteht, wenn organische Moleküle an reaktive mineralische Oberflächen binden, oft eine längere Umsatzzeit. Die schwere Fraktion kann sich jedoch sättigen (d. h. eine Obergrenze für die Mineralkomplexierungskapazität erreichen), während sich die leichte Fraktion theoretisch fast unbegrenzt ansammeln kann. Das Verständnis der physikalischen Verteilung organischer Stoffe in Pools von mineralassoziierter und partikulärer organischer Substanz hilft daher zu klären, welche Ökosysteme für eine effiziente Kohlenstoffbindung bewirtschaftet werden können und wie verschiedene Systeme auf den Klimawandel und die sich verändernden Muster anthropogener Störungen reagieren werden²⁰.

Während die Verwendung der Dichtefraktionierung unter Verwendung von Lösungen von Natriumpolywolframat in unterschiedlichen Dichten in den letzten zehn Jahren stark zugenommen hat, variieren die Techniken und Protokolle erheblich, so dass die Ergebnisse verschiedener Studien und verschiedener Ökosysteme schwer zu vergleichen sind. Obwohl gezeigt wurde, dass eine Dichte von 1,85 g/cm3 die größte Menge an freier Lichtfraktion mit minimalem Einschluss von mineralassoziierter organischer Substanz (MAOM) zurückgewinnt17, wurden in vielen Studien Dichten im Bereich von 1,65 bis 2,0 g/^{cm3 verwendet.} Während die meisten Studien Böden in nur zwei Becken aufgeteilt haben (eine leichte Fraktion und eine schwere Fraktion, im Folgenden LF und HF), haben andere Studien mehrere Dichten verwendet, um die schwere Fraktion weiter in Becken zu verfeinern, die sich durch die Mineralien, mit denen sie verbunden sind, das relative Verhältnis von Mineralien zur organischen Beschichtung oder den Aggregationsgrad (z. B. 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). Darüber hinaus wurden komplexere Fraktionierungsverfahren vorgeschlagen, die sowohl die Größen- als auch die Dichtetrennung kombinieren, was zu einer größeren Anzahl von Pools führt (z. B. Yonekura et al.26, Virto et ^al.27, Moni et al.15, Poeplau et ^al.10), aber auch mehr Spielraum für Fehler, sowohl in der Methodik als auch in Bezug auf die Poolgröße. Darüber hinaus haben die Autoren auch die Beschallung mit unterschiedlichen Intensitäten und Zeiten verwendet, um Aggregate und MAOM von mineralischen Oberflächen zu dispergieren^28,29,30.

Hier beschreiben wir ein robustes Dichtefraktionierungsverfahren, das erstens zwei einzigartige Pools von Bodenkohlenstoff (LF und HF oder POM und MAOM) identifiziert, und wir bieten sowohl die Techniken als auch die Argumente an, um den HF-Pool weiter in zusätzliche Fraktionen zu trennen, die sich aufgrund ihrer Mineralogie, ihres Grades der organischen Beschichtung oder ihrer Aggregation unterscheiden. Es wurde gezeigt, dass sich die hier identifizierten Fraktionen hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung, der Umlaufzeit, des Grades der mikrobiellen Verarbeitung und des Grades der Mineralstabilisierung unterscheiden^18,19.

Das folgende Verfahren trennt Schüttgut in partikuläre organische Stoffe (POM) und mineralassoziierte organische Stoffe (MAOM), indem eine bekannte Menge Boden in einer Lösung mit einer bestimmten Dichte gemischt wird. Die Wirksamkeit des Verfahrens wird durch die kombinierte Rückgewinnung von Bodenmasse und Kohlenstoff im Verhältnis zur ursprünglichen Bodenprobenmasse und zum C-Gehalt gemessen. Eine dichte Lösung wird durch Auflösen von Natriumpolywolframat (SPT) in deionisiertem Wasser erreicht. Der Boden wird zunächst mit der dichten SPT-Lösung vermischt und gerührt, um die Bodenaggregate gründlich zu mischen und zu dispergieren. Durch Zentrifugation werden dann die Bodenmaterialien getrennt, die entweder in der Lösung schwimmen (leichte Fraktion) oder sinken (schwere Fraktion). Die Misch-, Isolierungs-, Rückgewinnungs- und Waschschritte werden mehrmals wiederholt, um die Trennung der leichten und schweren Fraktionen sowie die Entfernung von SPT aus dem Material sicherzustellen. Abschließend werden die Bodenfraktionen getrocknet, gewogen und auf C-Gehalt analysiert. Das fraktionierte Material kann für nachfolgende Verfahren und Analysen verwendet werden.

Protocol

1. Herstellung von Stammlösungen aus Natriumpolywolframat (SPT) ACHTUNG: SPT ist reizend und beim Verschlucken oder Einatmen schädlich. Es ist giftig für Wasserorganismen; Vermeiden Sie die Freisetzung in die Umwelt. Um 1 l SPT-Lösung mit einer Dichte von 1,85 g/cm3 herzustellen, lösen Sie 1.051 g kristallisiertes SPT in etwa 600 ml deionisiertem destilliertem (DDI) Wasser. Rühren Sie die Lösung, bis sich der SPT vollständig aufgelöst hat, etwa 15…

Representative Results

Die Bodendichtefraktionierung ist ideal geeignet, um zu untersuchen, wie sich Böden in ihrem Gehalt an partikulärer und mineralischer organischer Substanz unterscheiden. Die Aufteilung des SOC in diese beiden unterschiedlichen Pools bietet eine Möglichkeit, die Veränderungen des C-Gehalts und der Stabilisierungsdynamik des Bodens aufzuklären, die sonst bei der Beobachtung von Trends im C-Gehalt des Bodens unklar sein könnten. Die weitere Trennung des schweren Materials (Dichte >1,85 g/cm3) gibt zusätzli…

Discussion

Während des gesamten Protokolls zur Fraktionierung der Bodendichte gibt es einige spezifische Verfahren, die genau überwacht werden müssen, um Fehler bei der Trennung und Analyse der Bodenfraktionen zu reduzieren. Ein kritischer Schritt bei der Fraktionierung der Bodendichte besteht darin, die Dichte der SPT-Lösung wiederholt zu überprüfen. Feuchtigkeit in der Bodenprobe verdünnt oft die SPT-Lösung, wodurch die Dichte der SPT verringert wird. Daher muss der Forscher immer sicherstellen, dass nach der Zentrifugati…

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