Utilizzo del frazionamento della densità del suolo per separare i pool di carbonio del suolo distinti
Summary
Il frazionamento della densità del suolo separa la materia organica del suolo in pool distinti con diversi meccanismi di stabilizzazione, sostanze chimiche e tempi di rotazione. Le soluzioni di politungstato di sodio con densità specifiche consentono la separazione del particolato libero e della materia organica associata ai minerali, dando luogo a frazioni di materia organica adatte a descrivere la risposta del suolo alla gestione e ai cambiamenti climatici.
Abstract
La materia organica del suolo (SOM) è una miscela complicata di diversi composti che spaziano da componenti vegetali liberi e parzialmente degradati a composti più microbicamente alterati contenuti negli aggregati del suolo a sottoprodotti microbici altamente trasformati con forti associazioni con minerali del suolo reattivi. Gli scienziati del suolo hanno lottato per trovare modi per separare il suolo in frazioni facilmente misurabili e utili per la modellazione del carbonio (C) del suolo. Il frazionamento del suolo in base alla densità è sempre più utilizzato, è facile da eseguire e produce pool C in base al grado di associazione tra il SOM e diversi minerali; pertanto, il frazionamento della densità del suolo può aiutare a caratterizzare il SOM e identificare i meccanismi di stabilizzazione SOM. Tuttavia, i protocolli di frazionamento della densità del suolo riportati variano in modo significativo, rendendo difficile confrontare i risultati di diversi studi ed ecosistemi. Qui, descriviamo una robusta procedura di frazionamento della densità che separa il particolato e la materia organica associata ai minerali e spieghiamo i vantaggi e gli svantaggi della separazione del suolo in due, tre o più frazioni di densità. Tali frazioni spesso differiscono nella loro composizione chimica e minerale, nel tempo di rotazione e nel grado di elaborazione microbica, nonché nel grado di stabilizzazione minerale.
Introduction
Il suolo è il più grande deposito di carbonio terrestre (C), contenente verso l’alto di 1.500 Pg di C nella parte superiore di 1 m e quasi il doppio di tale quantità a livelli più profondi a livello globale, il che significa che il suolo contiene più C della biomassa vegetale e l’atmosfera combinata1. La materia organica del suolo (SOM) trattiene l’acqua e i nutrienti del suolo ed è essenziale per la produttività delle piante e la funzione dell’ecosistema terrestre. Nonostante il riconoscimento globale dell’importanza di adeguati stock di SOM per la salute del suolo e la produttività agricola, gli stock di carbonio del suolo sono stati sostanzialmente impoveriti a causa della gestione non sostenibile delle foreste e dell’agricoltura, dei cambiamenti del paesaggio e del riscaldamento climatico 2,3. Il crescente interesse per il ripristino della salute del suolo e per l’utilizzo della ritenzione di C del suolo come attore chiave nelle soluzioni climatiche naturali ha portato a sforzi per comprendere i fattori che controllano il sequestro e la stabilizzazione del C del suolo in diversi ambienti 4,5.
La materia organica del suolo (SOM) è una miscela complicata di diversi composti che spaziano da componenti vegetali liberi e parzialmente degradati a composti più microbicamente alterati contenuti negli aggregati del suolo (definiti qui come un materiale formato dalla combinazione di unità o elementi separati) a sottoprodotti microbici altamente trasformati con forti associazioni con minerali del suolo reattivi6 . Nei casi in cui non è pratico identificare l’intera serie di singoli composti nel SOM, i ricercatori spesso si concentrano sull’identificazione di un numero minore di pool funzionali di C che esistono come realtà fisiche e che variano in base ai tassi di turnover, alla composizione chimica generale e al grado di stabilizzazione con i componenti minerali del suolo1, 7. Affinché i pool possano essere interpretati e modellati criticamente, è essenziale che i pool separati siano di numero ridotto, siano direttamente misurabili piuttosto che solo teorici e presentino chiare differenze nella composizione e nella reattività8.
Molte tecniche diverse, sia chimiche che fisiche, sono state impiegate per isolare pool significativi di suolo C, e queste sono ben riassunte da von Lützow et al.9 e Poeplau et al.10. Le tecniche di estrazione chimica mirano a isolare pool specifici, come C associato a Fe e Al11 scarsamente cristallino o cristallino. I solventi organici sono stati usati per estrarre composti specifici come i lipidi12, e l’idrolisi o l’ossidazione della SOM sono state utilizzate come misura di un pool labile di C13,14. Tuttavia, nessuno di questi metodi di estrazione classifica tutti i pool di C in frazioni misurabili o modellabili. Il frazionamento fisico del suolo classifica tutto il suolo C in piscine in base alle dimensioni e presuppone che la decomposizione dei detriti vegetali si traduca in frammentazione e particelle sempre più piccole. Sebbene le dimensioni da sole non possano separare i detriti vegetali liberi dai SOM15 associati ai minerali, quantificare questi due pool è fondamentale per la comprensione della stabilizzazione C del suolo a causa delle comuni differenze spaziali, fisiche e biogeochimiche nella formazione e nel turnover16.
Il frazionamento del suolo C basato sulla densità è sempre più utilizzato, ed è facile da eseguire e identifica diversi pool di C in base al grado di associazione con diversi minerali17,18,19; pertanto, il frazionamento della densità del suolo può aiutare a chiarire i diversi meccanismi di stabilizzazione C del suolo. Il requisito primario per il frazionamento del suolo è la capacità di disperdere completamente le particelle organiche e minerali. Una volta dispersa, la materia organica degradata che è relativamente priva di minerali galleggia in soluzioni più leggere di ~ 1,85 g / cm 3, mentre i minerali rientrano tipicamente nell’intervallo 2-4,5 g / cm 3, sebbene gli ossidi di ferro possano avere densità fino a 5,3 g / cm3. La frazione di particolato leggero o libero tende ad avere un tempo di ricambio più breve (a meno che non vi sia una contaminazione significativa da carbone) e ha dimostrato di essere altamente sensibile alla coltivazione e ad altri disturbi. La frazione pesante (>1,85 g/cm3) o associata ai minerali ha spesso un tempo di turnover più lungo a causa della resistenza alla decomposizione microbicamente mediata ottenuta quando le molecole organiche si legano con superfici minerali reattive. Tuttavia, la frazione pesante può saturarsi (cioè raggiungere un limite superiore per la capacità di complessazione minerale), mentre la frazione leggera può teoricamente accumularsi quasi indefinitamente. Pertanto, comprendere la distribuzione fisica della materia organica in pool di materia organica associata ai minerali rispetto al particolato aiuta a chiarire quali ecosistemi possono essere gestiti per un sequestro efficiente del carbonio e come i diversi sistemi risponderanno ai cambiamenti climatici e ai modelli mutevoli di disturbo antropogenico20.
Mentre l’uso del frazionamento della densità utilizzando soluzioni di politungstato di sodio a diverse densità è aumentato notevolmente nell’ultimo decennio, le tecniche e i protocolli variano in modo significativo, rendendo difficile confrontare i risultati di diversi studi e diversi ecosistemi. Sebbene una densità di 1,85 g/cm 3 abbia dimostrato di recuperare la maggior quantità di frazione luminosa libera con un’inclusione minima di materia organica associata ai minerali (MAOM)17, molti studi hanno utilizzato densità comprese tra 1,65 e 2,0 g/cm3. Mentre la maggior parte degli studi ha frazionato i terreni in due sole piscine (una frazione leggera e una frazione pesante, di seguito LF e HF), altri studi hanno utilizzato densità multiple per raffinare ulteriormente la frazione pesante in piscine che differiscono per i minerali a cui sono associati, il rapporto relativo tra minerali e rivestimento organico o il grado di aggregazione (ad esempio, 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). Inoltre, sono state suggerite procedure di frazionamento più complesse che combinano sia la separazione delle dimensioni che della densità, risultando in un numero maggiore di pool (ad esempio, Yonekura et al.26, Virto et al.27, Moni et al.15, Poeplau et al.10) ma anche in un maggiore margine di errore, sia nella metodologia che in relazione alle dimensioni del pool. Inoltre, gli autori hanno anche utilizzato la sonicazione a varie intensità e tempi nel tentativo di disperdere aggregati e MAOM dalle superfici minerali28,29,30.
Qui, descriviamo una robusta procedura di frazionamento della densità che identifica, in primo luogo, due pool unici di carbonio del suolo (LF e HF, o POM e MAOM), e offriamo sia le tecniche che gli argomenti per separare ulteriormente il pool HF in frazioni aggiuntive che differiscono in base alla loro mineralogia, grado di rivestimento organico o aggregazione. Le frazioni qui identificate hanno dimostrato di differire in termini di composizione chimica, tempo di turnover, grado di elaborazione microbica e grado di stabilizzazione minerale18,19.
La seguente procedura separa il terreno sfuso in materia organica particolata (POM) e materia organica associata ai minerali (MAOM) mescolando una quantità nota di terreno in una soluzione con una densità specifica. L’efficacia della procedura è misurata dal recupero combinato della massa del suolo e del carbonio rispetto alla massa iniziale del campione di suolo e al contenuto di C. Una soluzione densa si ottiene sciogliendo il politungstato di sodio (SPT) in acqua deionizzata. Il terreno viene inizialmente miscelato con la densa soluzione di SPT e agitato per mescolare e disperdere accuratamente gli aggregati del suolo. La centrifugazione viene quindi utilizzata per separare i materiali del terreno che galleggiano (frazione leggera) o affondano (frazione pesante) nella soluzione. Le fasi di miscelazione, isolamento, recupero e lavaggio vengono ripetute più volte per garantire la separazione delle frazioni leggere e pesanti, insieme alla rimozione di SPT dal materiale. Infine, le frazioni del terreno vengono essiccate, pesate e analizzate per il contenuto di C. Il materiale frazionato può essere utilizzato per procedure e analisi successive.
Protocol
Representative Results
Discussion
In tutto il protocollo di frazionamento della densità del suolo, ci sono alcune procedure specifiche che devono essere monitorate attentamente per contribuire a ridurre gli errori nella separazione e nell’analisi delle frazioni del suolo. Un passo fondamentale nella procedura di frazionamento della densità del suolo è verificare ripetutamente la densità della soluzione SPT. L’umidità nel campione di terreno spesso diluisce la soluzione SPT, riducendo così la densità dell’SPT. Pertanto, il ricercatore deve sempre a…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Per questo lavoro, il supporto è stato fornito dalla National Science Foundation Grants DEB-1257032 a K.L. e DEB-1440409 al programma di ricerca ecologica a lungo termine di 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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